Electron beam melting: metaal 3d-printen met een elektronenstraal
Stel je een 3d-printer voor, maar dan een die geen plastic draad smelt met een verhit mondstuk, en ook geen laser gebruikt zoals veel metaalprinters. In plaats daarvan gebruikt electron beam melting (EBM), oftewel elektronenbundelsmelten, een bundel elektronen: piepkleine, negatief geladen deeltjes die met hoge snelheid worden afgevuurd op een laagje metaalpoeder. Waar de bundel het poeder raakt, wordt de energie van de elektronen omgezet in warmte, en smelt het metaal lokaal samen. Laag voor laag ontstaat zo, in een vacuümkamer, een volledig metalen object van bijvoorbeeld titanium.
Het is te vergelijken met heel precies tekenen met een brandende lens in de zon, maar dan binnenstebuiten: niet licht, maar elektronen doen het werk, en het gebeurt niet in de buitenlucht maar in een luchtledige ruimte, laag voor laag, tot een driedimensionaal voorwerp is opgebouwd. De techniek wordt vooral gebruikt voor onderdelen waarbij gewicht, sterkte en precisie cruciaal zijn: heupimplantaten, turbinebladen voor vliegtuigmotoren en andere complexe metalen onderdelen die met traditioneel frezen of gieten moeilijk of duur te maken zijn.
Wat is het precies?
EBM is een vorm van additive manufacturing, in het Nederlands ook wel 3d-printen genoemd: een object wordt laag voor laag opgebouwd in plaats van uit een blok materiaal gefreesd (subtractief) of in een mal gegoten. Het proces begint met een dun laagje metaalpoeder, meestal enkele tientallen micrometers dik, dat over een bouwplatform wordt uitgestreken.
Een elektronenkanon, vergelijkbaar met het onderdeel dat vroeger in beeldbuis-tv's zat, schiet vervolgens een bundel elektronen op dat poederlaagje. Magnetische spoelen sturen de bundel razendsnel over het oppervlak, zodat precies op de juiste plekken het poeder smelt en weer stolt tot vast metaal. Daarna zakt het platform een fractie van een millimeter, wordt er een nieuwe laag poeder overheen gestreken, en herhaalt het proces zich. Zo groeit het object van onderaf op.
Een paar dingen maken EBM technisch bijzonder. Ten eerste vindt het hele proces plaats in een vacuümkamer: alle lucht wordt weggepompt. Dat is nodig omdat elektronen in een gasrijke omgeving te veel botsen met luchtmoleculen en hun energie zouden verliezen. Dit vacuüm heeft als bijkomend voordeel dat er nauwelijks zuurstof aanwezig is, wat belangrijk is bij reactieve metalen zoals titanium, dat bij hoge temperaturen snel oxideert.
Ten tweede wordt het poederbed voorverwarmd tot een hoge temperatuur, vaak honderden graden Celsius, en licht voorgesinterd (de poederkorrels worden vast aan elkaar geplakt zonder volledig te smelten) voordat de eigenlijke smeltbewerking begint. Hierdoor koelt het materiaal na het smelten langzamer en gelijkmatiger af, wat resulteert in minder interne spanningen in het eindproduct dan bij laser-gebaseerde technieken, waar het poederbed doorgaans veel kouder blijft. Minder interne spanning betekent minder kans op scheurtjes of vervorming.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van EBM, en van metaal-3d-printen in het algemeen, is dat je vormen kunt maken die met klassieke technieken onmogelijk of extreem duur zijn. Denk aan onderdelen met holle kanalen voor koeling, poreuze structuren waarin bot kan ingroeien, of organische, skeletachtige vormen die materiaal besparen zonder aan sterkte in te boeten.
Een tweede doel is het verminderen van materiaalverspilling. Bij traditioneel frezen van een titanium vliegtuigonderdeel gaat soms wel negentig procent van het dure ruwe materiaal verloren als spaanders. Bij 3d-printen wordt vrijwel alleen het materiaal gebruikt dat ook daadwerkelijk in het onderdeel terechtkomt, al blijft ongebruikt poeder wel herbruikbaar voor een volgende print.
Ten derde speelt snelheid van ontwerp een rol: een nieuw onderdeel hoeft niet eerst een dure mal of gereedschap te krijgen, maar kan direct vanuit een digitaal ontwerp worden geprint. Dat is aantrekkelijk voor kleine series en voor toepassingen op maat, zoals een implantaat dat precies past bij de anatomie van één patiënt.
Belangrijk om te beseffen: EBM is geen vervanging voor massaproductie van eenvoudige onderdelen. Gieten of frezen blijft voor grote series vaak goedkoper. EBM vindt vooral zijn plek waar complexiteit, gewichtsbesparing of personalisatie zwaarder wegen dan de kostprijs per stuk.
Voorbeelden uit de praktijk
De medische sector was een van de eerste om EBM serieus te omarmen. Het Italiaanse implantatenbedrijf Lima Corporate ontwikkelde met de Delta TT-heupkom een acetabulumkom (het kombeenderdeel van een heupprothese) van titanium met een poreus oppervlak, geprint met EBM-technologie van de Zweedse fabrikant Arcam. De poreuze structuur, die met conventionele technieken lastig te maken is, helpt het omliggende bot om in het implantaat te vergroeien, wat de hechting verbetert.
In de luchtvaart gebruikt Avio Aero, een Italiaans bedrijf dat onderdeel is van GE Aerospace, EBM om lagedrukturbinebladen te maken van titaniumaluminide (TiAl), een lichte maar broze legering die met gieten moeilijk in de gewenste vorm te krijgen is. Deze bladen worden toegepast in de GEnx-motorfamilie, gebruikt in onder meer de Boeing 787 en 747-8, en zijn aanzienlijk lichter dan de nikkellegeringen die ze vervangen.
Het Amerikaanse bedrijf Sciaky past een verwante maar andere techniek toe: elektronenbundel-additive manufacturing met draad in plaats van poeder, waarbij een metalen draad wordt afgesmolten in een vacuümkamer om zeer grote structuren op te bouwen, tot enkele meters groot. Deze aanpak is onder meer gebruikt voor grote titanium structuurdelen in de lucht- en ruimtevaart, waar Sciaky heeft samengewerkt met partijen als Lockheed Martin.
In Zweden zette Freemelt, een spin-off met wortels bij Arcam, sinds de late jaren 2010 in op een opener systeemarchitectuur: het Freemelt ONE-systeem is bedoeld voor onderzoekers en materiaalontwikkelaars die zelf willen experimenteren met bundelparameters, in plaats van vast te zitten aan de gesloten instellingen van commerciële machines.
Een recentere speler, het Britse Wayland Additive, presenteerde met zijn Calibur3-systeem een variant genaamd NeuBeam, die claimt een hardnekkig probleem van klassieke EBM op te lossen: elektrostatische oplading van het poederbed, die kan leiden tot het wegblazen van poederdeeltjes tijdens het printen, een fenomeen dat in de sector bekendstaat als 'smoke'.
Hoe ver is de techniek?
EBM is geen laboratoriumcuriositeit meer, maar ook geen mainstream productietechniek. Voor specifieke, hoogwaardige toepassingen in de medische en luchtvaartsector wordt het al jaren commercieel ingezet, met gecertificeerde implantaten en gecertificeerde vliegtuigonderdelen die daadwerkelijk in gebruik zijn. Dat certificeringsproces, vooral in de luchtvaart, is lang en streng: elk nieuw onderdeel moet uitgebreid worden getest voordat het mag vliegen, wat de opschaling vertraagt.
Vergeleken met laser-gebaseerde metaalprinttechnieken (zoals laser powder bed fusion, ook wel bekend onder merknamen als SLM of DMLS) is EBM een kleinere markt met minder aanbieders. Dat komt deels doordat de techniek van oorsprong sterk verbonden was aan één bedrijf, Arcam, wat concurrentie en variatie beperkte. De komst van nieuwe spelers zoals Freemelt en Wayland Additive duidt op een voorzichtige verbreding van het veld.
Belangrijke technische obstakels blijven bestaan. Het genoemde 'smoke'-probleem kan printfouten veroorzaken en vraagt zorgvuldige procesbeheersing. De bouwsnelheid is voor sommige toepassingen nog te laag om economisch te concurreren met traditionele productie. En het aantal metalen dat betrouwbaar met EBM te verwerken is, blijft beperkt: titaniumlegeringen en kobalt-chroomlegeringen zijn goed ontwikkeld, maar voor andere materialen, zoals sommige nikkelsuperlegeringen, loopt onderzoek nog. Onafhankelijke, actuele marktcijfers over de precieze groeisnelheid van EBM ten opzichte van laserprinten zijn schaars en lopen uiteen per bron, dus voorzichtigheid met stellige groeivoorspellingen is op zijn plaats.
Wie werken eraan?
De Zweedse onderneming Arcam AB geldt als de pionier en lange tijd marktleider van poederbed-EBM; het bedrijf werd in 2016 overgenomen door het Amerikaanse GE, en opereert sindsdien onder de vlag van GE Additive, tegenwoordig onderdeel van GE Aerospace. Rond dit moederbedrijf hebben zich gebruikers en toeleveranciers in de luchtvaart- en medische industrie gegroepeerd, waaronder Avio Aero en implantatenmakers als Lima Corporate.
Daarnaast zijn er de nieuwere, kleinere Europese spelers: Freemelt in Zweden en Wayland Additive in het Verenigd Koninkrijk, beide gericht op het verbreden van de toepasbaarheid en toegankelijkheid van elektronenbundeltechnologie. In de Verenigde Staten richt Sciaky zich op de verwante, draadgebaseerde variant voor grote structuren, met klanten in de defensie- en ruimtevaartindustrie.
Op onderzoeksgebied dragen universiteiten en instituten bij aan materiaalkennis en procesoptimalisatie, onder meer in Zweden (nauw verbonden met de Arcam-erfenis), het Verenigd Koninkrijk (onder andere via het Advanced Manufacturing Research Centre in Sheffield) en de Verenigde Staten. Standaardisatieorganisaties zoals ASTM International werken aan gedeelde normen voor additive manufacturing in het algemeen, waaronder terminologie, testmethoden en materiaalspecificaties die ook voor EBM relevant zijn.