3D-Metalldruck Auftragsschweißen mit Elektronen und Draht

Autor / Redakteur: Marlina Schütze / Simone Käfer

Mit Draht und Elektronenstrahlen werden Bauteile aus reaktiven Metallen wie Titan oder stark reflektierende wie Kupfer additiv gefertigt. Das DED-Verfahren WEBAM eignet sich für Reparaturen und Endbauteile.

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Wo sich Laser schwer tun, können Elektronen punkten. Beim WEBAM-Verfahren von Pro-Beam wird auch Kupfer verschweißt.
Wo sich Laser schwer tun, können Elektronen punkten. Beim WEBAM-Verfahren von Pro-Beam wird auch Kupfer verschweißt.
(Bild: Pro-Beam)
  • Bei Reparaturen entsprechen die Eigenschaften des Bauteils wieder dem des Originals und Oberflächen mit besonderen Materialeigenschaften können geschaffen werden.
  • Um hochwertige Bauteile fertigen zu können, musste die Maschine ergänzt und verbessert werden.
  • Werkstoff- und Maschinen-Handling sind bei diesem Verfahren einfacher als bei den meisten anderen Verfahren der Additiven Fertigung.

Draht als Zusatzwerkstoff beim Elektronenstrahlschweißen ist vielversprechend. Diese Erkenntnis gewann Pro-Beam, das seine Maschinen für sein additives Verfahren WEBAM weiterentwickelte. Zum einen erlaubt der Zusatzdraht eine kontrollierte Legierungseinstellung der Schweißnaht, zum anderen eröffnet er neue Möglichkeiten im Bereich des Auftragschweißens, beziehungsweise des Reparaturschweißens.

Bei letzterem Verfahren wird die Kontur von verschlissenen oder beschädigten Metallbauteilen wiederhergestellt, indem an den entsprechenden Stellen zusätzliches Material lokal aufgetragen wird. Ziel ist es, dass die Eigenschaften des Bauteils wieder dem des Originals entsprechen. Dieses Vorgehen wird vor allem bei hochwertigen Komponenten angewendet, die nicht kurzfristig verfügbar sind. Auch eine neue Oberfläche mit besonderen Materialeigenschaften kann geschaffen werden. Je nach Bauteil erweist sich eine Reparatur als wirtschaftlicher und kostengünstiger als eine Neuanschaffung.

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Plötzlich Auftragsfertiger

Von einer expliziten Integration des Auftragschweißens ins Portfolio der eigenen Auftragsfertigung hat das Unternehmen damals abgesehen, weil man sich auf das Elektronenstrahlschweißen sowie den zweiten Kerngeschäftsbereich des Anlagenbaus konzentriert hat. Mit der Zeit setzte Pro-Beam allerdings einzelne Reparaturschweißungen auf Wunsch von Bestandskunden um. So auch bei einem Produzenten von Walzblöcken, der in seiner Prüfstation Rollenachsen aus Vergütungsstahl 34CrNiMo6V einsetzte. Zwei solcher Rollen wiesen, infolge der Betriebsbelastung, starken Verschleiß im Bereich der Lagersitze auf und mussten ersetzt werden. Laut Hersteller hätte die Produktion und Lieferung neuer Komponenten zu mehreren Monaten Stillstandzeit der Maschine und damit zu enormen Kosten geführt. Aus diesem Grund suchte der Industrie-Zulieferer nach alternativen Möglichkeiten und entschied sich für das Reparaturschweißen bei Pro-Beam.

Je nach Bauteil erweist sich eine Reparatur als wirtschaftlicher und kostengünstiger als eine Neuanschaffung.

Die Aufgabe bestand in der Wiederherstellung der defekten Bereiche auf einen Durchmesser von 241 mm bei einem möglichst geringen Nachbearbeitungsaufwand. Deshalb hat Pro-Beam die Bereiche beider Rollen zunächst auf 237 mm abgedreht. Anschließend wurden mithilfe des Elektronenstrahls und des Drahtzuführungssystems mehrere Schichten des Grundmaterials der Rollenachsen aufgebaut. Diese bildeten eine zusätzliche Schicht von zwei bis drei Millimetern. Durch diesen endkonturnahen Auftrag mussten beide Komponenten nur noch auf den finalen Durchmesser abgedreht und minimal geglättet werden, bevor sie dem Kunden einsatzbereit übergeben werden konnten.

Auf diese und weitere Erfahrungen im Bereich des Reparaturschweißens, bei dem in der Regel wenige Lagen einer Schutz- oder Reparaturschicht erzielt werden, folgte als logische Konsequenz die Erforschung der drahtbasierten Additiven Fertigung von eigenständigen, viellagigen Baukörpern. Dessen Ergebnisse bildeten für Pro-Beam den Grundstein zur Gründung der Pro-Beam additive GmbH. In den letzten Jahren optimierte Pro-Beam sein bestehendes System und ergänzte es unter anderem mit neuen, für die Anwendung im Bereich Additiver Fertigung verbesserten Kinematiken.

Achsen und Steuerung aufstocken

So bewegt sich die Bauplatte, anders als beim obigen Reparatur-Beispiel, auf 5 Achsen statt einer. Dies ist nötig, um die jeweils gewünschte Bauteil-Geometrie umzusetzen. Die 5-Achs-Bewegung, die Drahtzuführung sowie der Energieeintrag müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein. Um dies bestmöglich gewährleisten zu können setzt das Unternehmen auf eine etablierte Industriesteuerung mit aufgesetzter Eigenentwicklung für schnelle Steuergrößen. Mit ihr wird unter anderem der Strahlstrom und -fokus während des Bauprozesses angepasst. Für das Aufschmelzen nutzt das Team eine eigens entwickelte Strahlfigur. Damit wird die Verteilung des Energieeintrags aktiv verändert und es gelingt eine gezieltere Kontrolle der Schmelze. Ergänzend hierzu arbeitet Pro-Beam eng mit Forschungseinrichtungen zusammen, setzt Versuchsreihen um und integriert konkretes Feedback vom Markt- und Kundenumfeld. „Die positiven Ergebnisse in den letzten Wochen und Monaten zeigen uns, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagt Dr. Thorsten Löwer, CTO bei Pro-Beam.

Komplizierter als gedacht

Löwer beschreibt die Entwicklung des WEBAM-Verfahrens als sehr vielschichtig. Allein beim Maschinenhandling sind Aufbaustrategie, Skalierbarkeit und Geometrie der Bauteile wesentliche Themen, die es zu berücksichtigen gilt. Denn obwohl das Auftragschweißen im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsmethoden allgemein als einfacheres Verfahren wahrgenommen wird, bedeutet die erfolgreiche Umsetzung eines Bauprojekts nicht automatisch das positive Ergebnis eines anderweitig skalierten Bauteils. Zum einen, weil die drahtbasierte Additive Fertigung durch ihre Mehrdimensionalität entsprechend komplexer in der Umsetzung ist. Und zum anderen, da Bauteile unterschiedlicher Größe, Dicke und Formen auch unterschiedliche Bau-Strategien benötigen.

So erfolgt etwa eine Art Unterteilung des Bauteils in einzelne Geometrie-Elemente, die nacheinander aufgebaut werden. Dabei kann es vorkommen, dass einzelne Elemente gegebenenfalls auf eine zuvor bereits aufgebaute Form aufgeschweißt werden. Diese können aus einer gekrümmten Fläche bestehen, sodass eine entsprechend komplexere Programmierung nötig ist. Generell wird ein Aufbau der Struktur mit möglichst horizontaler Energieeinbringung angestrebt, da beim drahtbasierten Verfahren nicht mit Stützstrukturen gearbeitet wird. Und auch das Temperaturmanagement spielt eine wesentliche Rolle. So ist es zum Beispiel nicht trivial ein Bauteil lediglich in der Größe zu skalieren. Durch die veränderte Geometrie muss das Zusammenspiel von Energieeintrag, Drahtvorschub und Geschwindigkeit den aktuellen lokalen Begebenheiten angepasst werden. Unkomplizierter ist beim WEBAM-Verfahren das allgemeine Werkstoff- und dadurch auch Maschinen-Handling – insbesondere im Vergleich mit anderen additiven Fertigungsverfahren für Metalle.

Reines Kupfer drucken

Mit dem WEBAM-Verfahren können verschiedene Metalle, wie Titan, Edelstahl und Kupfer verarbeitet werden. Kupfer hat wegen seiner großen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit eine hohe Relevanz für die Industrie, wobei dessen Verarbeitung aufgrund der physikalischen Eigenschaften, beispielsweise der starken Lichtreflexion, für viele Schweißverfahren eine Herausforderung ist. Dies gilt jedoch nicht für das Elektronenstrahlschweißen.

Um sowohl diese Kompetenz als auch das Potenzial von WEBAM bestmöglich zu verdeutlichen, hat Pro-Beam zur Formnext 2020 ein 650 mm hohes Modell eines Raketenantriebs aus Kupfer additiv gefertigt. Dafür wurde zunächst der Prozess für den Aufbau des Demonstrators entwickelt und das Modell in 3 separaten Abschnitten aufgebaut. Wegen der reproduzierbaren Geometrietreue, die sich in den Fügebereichen besonders gut zeigt, konnten die Komponenten anschließend passgenau zusammengebaut und mit EB-Schweißtechnik, also per Elektronenstrahl, gefügt werden. Das Bauteil wurde mit einer Baurate von knapp 2 kg/h produziert und hat eine Wandstärke von 6 mm. Bisher ist es das größte additiv gefertigte Modell aus Kupfer.

Reaktive Metalle und mehr Bauraum

Mit seinen ersten rotationssymmetrischen Bauteilen hat das Unternehmen zudem überzeugende Ergebnisse in Bezug auf Reproduzierbarkeit, Geometriegenauigkeit und Oberflächenqualität erzielen können. Da die möglichen Bauteil-Geometrien sowie -größen derzeit von der Kinematik und Bauraumgröße begrenzt werden, ist bereits eine weitere Maschine mit größeren Dimensionen in Planung. Dabei werden eine möglichst große Flexibilität sowie eine optimale Ausnutzung des Bauraums angestrebt. „Wir arbeiten bereits intensiv an der Weiterentwicklung unseres WEBAM-Verfahrens – sei es im Hinblick auf unterschiedliche Geometrien, die Strahleigenschaften oder auch die Materialvielfalt. Ein Ziel ist beispielsweise die erfolgreiche Verarbeitung von Nickel-Basis-Legierungen. Gleichzeitig möchten wir uns in den Bereichen der Oberflächenqualität und Geschwindigkeit von den anderen Prozessen abheben“, erzählt Löwer und erläutert, dass es der Anspruch des Unternehmens ist, große Bauteile zu realisieren, die herkömmliche Verfahren nicht oder nur begrenzt umsetzen können. Dazu gehört insbesondere die Arbeit mit Kupfer sowie reaktiven Materialien, wie Titan. „Deshalb fassen wir aktuell Forschungsprojekte und Leadkundenprojekte ins Auge und freuen uns auf den tieferen Austausch mit der Industrie“, schließt Löwer ab.

* Marlina Schütze arbeitet bei Pro-Beam in 82205 Gilching, Tel. (0 89) 89 92 33-0, Email: info@pro-beam.com

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