gesponsertAdditive Fertigung mit dem Elektronenstrahl Großbauteile additiv fertigen mit einem Drittel der Energie

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pro-beam GmbH & Co. KGaA

Hoher Energiebedarf, lange Bauzeiten und aufwendige Nacharbeit bremsen die additive Fertigung großer Metallbauteile. Was wäre, wenn sich alle drei Faktoren gleichzeitig verbessern ließen – selbst bei schwierigen Werkstoffen wie Kupfer?

Dreizehn Kilogramm Reinkupfer pro Stunde: Mit Auftragsraten dieser Größenordnung verschiebt sich, was in der additiven Fertigung wirtschaftlich möglich ist. Denn obwohl die Technologie seit Jahren als Zukunftsthema gilt, ist sie bei metallischen Großbauteilen noch nicht breit im Einsatz. Energiebedarf, Bauzeit und Nachbearbeitung entscheiden häufig darüber, ob sich ein additiv gefertigtes Bauteil rechnet.

Genau hier setzt die drahtbasierte additive Fertigung mit dem Elektronenstrahl an, englisch Wire-based Electron Beam Additive Manufacturing (WEBAM). Der Elektronenstrahlspezialist pro beam nutzt das Verfahren bereits industriell für Bauteile bis in den Meterbereich. Es setzt an drei Stellen an: beim Energieeinsatz, bei der Auftragsrate und beim Weg zum endkonturnahen Bauteil.

Ein Drittel des Energiebedarfs

Der Elektronenstrahl erzeugt und überträgt seine Energie ohne Verluste durch Reflexion, Streuung oder optische Komponenten im Strahlengang. Laserbasierte Verfahren verlieren dagegen gerade bei reflexionsstarken Metallen wie Kupfer einen erheblichen Teil der eingebrachten Energie.

Vergleichsuntersuchungen beziffern den Unterschied: WEBAM benötigt rund ein Drittel der Energie laserbasierter AM-Verfahren. Auch die Emissionen über die gesamte Prozesskette fallen beim Laser-AM etwa dreimal so hoch aus. Damit werden Bauteile aus Kupfer und anderen hochreflektierenden, gut wärmeleitenden Werkstoffen zugänglich, die sich mit dem Laser nur eingeschränkt verarbeiten lassen.

Auftragsraten von bis zu 13 kg pro Stunde

Neben der Effizienz zählt die Geschwindigkeit. Der Elektronenstrahl arbeitet mit hoher Leistung und Energiedichte: Anlagen wie die WEBAM 100 erreichen bis zu 9 kW bei einem Bauraum von rund 2 m³. Damit lassen sich Drähte mit einem vergleichsweise großem Durchmesser von 1,6 mm bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten aufschmelzen.

Beim Aufbau zylindrischer Bauteile wurden so Auftragsraten von bis zu 13 kg/h bei Reinkupfer, 11,9 kg/h bei Inconel 718 und 6,4 kg/h bei Ti-6Al-4V erreicht. Diese Werte liegen deutlich über den in der additiven Fertigung üblichen Größenordnungen und verkürzen die Durchlaufzeiten unmittelbar.

Hybride Fertigung: zwei Drittel weniger Zerspanung

Additiv aufgebaute, endkonturnahe Halbzeuge müssen deutlich weniger zerspant werden als Bauteile aus dem Vollmaterial. Noch größer wird der Effekt, wenn das Material nicht auf ein einfaches Halbzeug, sondern auf ein bereits konturnahes Substrat aufgetragen wird.

In der Praxis gelingt das in einer einzigen Anlage: Zunächst werden mehrere Bleche per Elektronenstrahlschweißen zu einem konturnahen Substrat gefügt, anschließend werden darauf die additiven Segmente aufgebracht. Bei einem so gefertigten Bauteil sank die zu zerspanende Materialmenge um zwei Drittel. Bei schwer zerspanbaren Legierungen wie Titan oder Inconel bedeutet das spürbar weniger Werkzeugverschleiß und geringere Bearbeitungskosten.

Thermischen Verzug gezielt kontrollieren

Dünne Substrate sparen zusätzlich Material, neigen beim additiven Aufbau jedoch zu thermischem Verzug. Dem lässt sich auf zwei Wegen begegnen. Eine CNC-gesteuerte Flip-Frame-Vorrichtung wechselt nach jeder Lage die Bauteilseite, ohne das Vakuum zu unterbrechen, und bebaut so beide Seiten der Substratplatte abwechselnd.

Beim einseitigen Aufbau wiederum lässt sich der Wärmehaushalt von Bauteil und Substrat im Vakuum gezielt steuern. Erholungsprozesse im Werkstoff bauen dabei Eigenspannungen ab, der Verzug sinkt spürbar.

Wirtschaftlichkeit als Maßstab

Energiebedarf, Bauzeit und Nacharbeit – das Verfahren adressiert damit genau die Faktoren, an denen die additive Fertigung großer Metallbauteile bislang häufig scheitert. Aktuelle Entwicklungen rund um WEBAM zeigt pro beam auf der Formnext 2026. Weitere Informationen zu Technologie, Anlagen und Anwendungsfeldern gibt es unter www.pro-beam.com.