Technologien im 3D Druck - Powder Bed Fusion (PBF)

Powder Bed Fusion (PBF) ist das heutige Thema in der Reihe zu den 3D Druck Technologien. Eins der in der Industrie am weitesten verbreite Verfahren.

Was ist Powder Bed Fusion (PBF, deutsch: Pulverbettbasiertes Schmelzen)?

Powder Bed Fusion ist der Oberbegriff für alle Prozesse, bei denen Metallpulver, Keramikpulver oder Polymerpulver eingesetzt und lokal aufgeschmolzen wird, um ein festes Bauteil zu erzeugen. Die Energiequelle für das Aufschmelzen des Materials unterscheidet die zahlreichen Unterprozesse. Beispielsweise wird beim LPBF, oder SLS ein Laser verwendet, das EBM nutzt einen Elektronenstrahl und das MJF einen Heizlampe.

Wie funktioniert pulverbettbasiertes Schmelzen?

Beim Powder Bed Fusion Prozess wird eine dünne Schicht, meist 0.01 mm dick, aus Pulvermaterial auf einer Bauplattform verteilt. Dann wird die Stelle, die man verfestigen möchte, mit einer Energiequelle, z.B. einem Laser, erwärmt und aufgeschmolzen. Dieser Prozess erzeugt die erste Schicht des Bauteils. Danach wird eine neue dünne Schicht Pulver auf der vorherigen Schicht verteilt und wieder aufgeschmolzen, was die beiden Schichten miteinander verbindet. So entsteht Schicht für Schicht von unten nach oben das Bauteil. Das nicht verfestigte Pulver bleibt in der Baukammer, bis das Teil komplett fertig ist. Anschließend müssen Bauteil, Restpulver und Baukammer abkühlen, bevor das übrig gebliebene Pulver entfernt und das Bauteil samt Bauplattform aus der Kammer genommen werden kann. In den meisten Fällen muss anschließend das Bauteil mechanisch (z.B. durch Sägen) von der Bauplattform getrennt werden.

Wo wird pulverbettbasiertes Schmelzen eingesetzt?

Mit pulverbettbasierten Prozessen werden vor allem Bauteile für die Automobilbranche und für Aerospace hergestellt. Beliebt ist auch der Einsatz in Forschung und Entwicklung, ich selbst habe für meine Masterarbeit eine Kammer für einen Laser Powder Bed Fusion Prozess am ILT in Aachen entwickelt und kann aus Erfahrung sagen, dass dieser Prozess spannende neue Möglichkeiten für die Forschung eröffnet und Dinge möglich macht, die mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht möglich waren.

Mit metallbasiertem Powder Bed Fusion werden unter anderem Teile wie Einspritzkammern, Turbinenschaufeln oder Wärmetauscher hergestellt. Im Kunststoffbereich wird die Technologie meist für Prototypen und Kleinserienbauteile verwendet.

Was sind Vorteile und Nachteile von pulverbettbasiertem Schmelzen?

Bei jedem pulverbasiertem Prozess, egal ob mit Laser, Elektronenstrahl oder Wärmelampe, wird sehr feines Pulver eingesetzt, aus diesem Grund müssen hohe Sicherheitsvorkehrungen eingehalten werden.

Erstens kann das Pulver eingeatmet werden und sich dadurch schädlich auf die Gesundheit auswirken. Manche Pulver sind hoch krebserregend und sollten auf keinen Fall in den Blutkreislauf gelangen.

Zweitens entstehen durch den Prozess Stäube und Rußpartikel, die ein Explosionsrisiko darstellen. Dies sorgt für eine hohe Einstiegshürde, da Anwender eine umfangreiche Ausbildung und viel Sicherheitstraining benötigen, um die Anlagen bedienen zu können bzw. dürfen. Weiterhin sind die laufenden Kosten hoch, da mit wartungsintensiven Geräten gearbeitet wird. Beispielsweise braucht man explosionssichere Staubsauger und Filter, um die Anlage zu reinigen. Die Reinigung und Wartung muss regelmäßig von geschultem Personal durchgeführt werden, um die Anlage in gutem Zustand zu halten, daher muss beim Powder Bed Fusion Prozess auch ein Budget für jährliche Schulungen und Wartung reserviert werden. Für Privatanwender oder kleine und mittlere Unternehmen, die keinen konkreten Anwendungsfall haben, der nur durch einen PBF-Prozess zu produzieren ist, ist dieser Prozess daher eher ungeeignet.

Ein großer Vorteil der Technologie ist, dass Bauteile mit einer hohen Dichte und großer Designfreiheit erstellt werden können. Die mechanische Belastbarkeit der Teile ist vergleichbar mit konventionellen Bauteilen. Das ermöglicht es, voll funktionsfähige und belastbare Teile zu erstellen, die konventionell nicht herstellbar wären. Für Hochleistungsbauteile z.B. in der Luft- und Raumfahrt wird das PBF-Verfahren sehr erfolgreich eingesetzt.

Wenn Sie mehr über das Powder Bed Fusion Verfahren erfahren möchten, kontaktieren Sie mich gerne über mein Kontaktformular.

Ihnen hat der Beitrag gefallen? Dann abonnieren Sie doch meinen Newsletter, so werden Sie benachrichtigt, sobald ein neuer Beitrag erscheint.

Robin

Disclaimer:

Die Reihe „Technologien im 3D Druck“ ist eine Reihe für 3D Druck Anfänger, die einen Überblick über alle Prozesse bekommen möchten. Die jeweiligen Prozesse sind daher einfach erklärt, um so vielen Lesern wie möglich Wissen über 3D Druck zu vermitteln. Manche Details wurden jedoch vereinfacht dargestellt, um die Texte verständlich zu halten und nicht unnötig kompliziert zu machen. Die Aussagen in den Texten sind daher nicht allgemeingültig und es gibt für jedes Verfahren genauso viele positive Aspekte wie negative Aspekte zu beachten. Es gibt nicht das eine beste Verfahren, welches alle Probleme löst und für jeden das Richtige ist. Entsteht durch das Lesen eines Artikels tieferes Interesse an einem Verfahren, möchte ich auf die Webseite des jeweiligen Herstellers verweisen und/oder auf passende Fachliteratur. Bei Fragen und Anmerkungen zu meinem Blog können Sie mich auch gerne kontaktieren.