pro-beam PB WEBAM 100: Bildgebende Prozesskontrolle

WEBAM-Kupfermodell eines Raketenmotors, vorgestellt von einem Ingenieur bei pro-beam.

Das WEBAM-Verfahren arbeitet im Hochvakuum, sodass Oxidation verhindert und eine hohe Reinheit der Bauteile erzielt wird. Zugleich kann der Elektronenstrahl, dank seines hohen Wirkungsgrads und seiner hohen Energiedichte, auch stark lichtreflektierende Materialien wie Kupfer oder Gold sowie Materialien mit hohen Schmelzpunkten und hoher Wärmeleitfähigkeit verarbeiten. Dabei kann die Energieverteilung durch die mögliche Anpassung des Energiemusters umfassend gesteuert werden.

Die PB WEBAM 100 von pro-beam ist ein offenes System, wodurch sämtliche Parameter eingesehen und individuell aufeinander abgestimmt werden können.

Herausforderung: Prozessbeobachtung

Die Möglichkeit den DED-Prozess, einschließlich des Schmelzbadverhaltens, der Lage und das Schmelzen des Drahtes, in Echtzeit zu beobachten, ist ein großer Vorteil bei der Entwicklung von Prozessparametern. Gleichzeitig verhilft es den Anwendern zum besseren Verständnis des Verfahrens. Darüber hinaus ist eine klare Abbildung des Prozesses erforderlich, um diesen adaptiv zu steuern. Ein hervorragendes Werkzeug für die Beobachtung des DED-Prozesses ist eine HDR-Kamera (High Dynamic Range) mit ihrer Fähigkeit, eine breite Helligkeitsverteilung aufzulösen.

Die Einführung einer HDR-Kamera in eine WEBAM-Kammer birgt jedoch einige Herausforderungen. Dazu zählt, dass die Umgebung – mit rückgestreuten Elektronen, Röntgenstrahlen und hohen Temperaturen – aggressiv ist und die Kamera beschädigen kann. Zusätzlich verhindert das Hochvakuum den Einsatz der herkömmlichen Konvektionskühlung, was wiederum zu einer Überhitzung der Kamera führen kann. Abschließend kann die Bildaufnahme durch die Kondensation von Metalldampf auf dem Kameraobjektiv behindert werden.

pro-beam, ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich der Elektronenstrahltechnologie, bietet seinen Kunden mit der Anlage PB WEBAM die Möglichkeit zur flexiblen Fertigung von industriellen Metallbauteilen. In Zusammenarbeit mit Xiris Automation, dem Weltmarktführer für HDR-Kameras, hat pro-beam die Xiris XVC-1000-Kamera erfolgreich für den Einsatz im Hochvakuum und in der aggressiven Umgebung eines Elektronenstrahlprozesses angepasst. Es wurden besondere Maßnahmen ergriffen, um die empfindliche Elektronik der XVC-1000 vor schädlicher Strahlung zu schützen und eine Überhitzung zu verhindern. Außerdem wurde eine spezielle Vorrichtung installiert, die das Kameraobjektiv mindestens acht Stunden lang von den Metalldämpfen freihält.

Blick in die Prozesskammer der PB WEBAM 100: Vorne ist der Dreh-Kipptisch zu sehen und das Gehäuse der XVC-1000-Kamera befindet sich oben in der Mitte.

Betrachtung des Prozesses

Mit den von der XVC-1000-Kamera gelieferten Echtzeitbildern ist es möglich, die Prozessparameter im laufenden Betrieb anzupassen. So kann sichergestellt werden, dass sich eine kontinuierliche Flüssigmetallbrücke zwischen Draht und Schmelzbad bildet. Daneben können Videos auch zur Fehlersuche und Qualitätskontrolle herangezogen werden. Abbildung a) zeigt einen kontinuierlichen Prozess mit guten Prozessparametern. Das Schmelzbad weist keine Turbulenzen auf und der Draht verwandelt sich kontinuierlich in eine Flüssigmetallbrücke, die in das Schmelzbad fließt. Während des Prozesses kann der Bediener Abweichungen von diesem gleichmäßigen Abscheidungsverhalten sofort erkennen, was ein deutlicher Hinweis auf fehlerhafte Prozessparameter wäre.

Ein Beispiel für fehlerhafte Prozessparameter ist in Abbildung b) zu sehen. Hier erscheint das Schmelzbad sehr turbulent, was dazu führt, dass Metalltröpfchen vor dem Prozess entstehen. Mit einer entsprechenden Korrektur der Strahlleistung, der Energieverteilung und des Abstands zwischen Drahtdüse und Schmelzbad lässt sich dieses turbulente Verhalten verhindern. Ohne die von der XVC-1000-Kamera gelieferten Echtzeitbilder wäre es sehr viel schwieriger, dieses fehlerhafte Verhalten zu erkennen und zu korrigieren.

Abbildung a) WEBAM-Prozesse aufgenommen mit der XVC-1000: Ansicht senkrecht zum Aufbau einer Wand mit vorlaufendem Draht und guten Prozessparametern. (Bild: Xiris Automation)

Technische Daten PB WEBAM 100

Die Fertigungsanlage PB WEBAM bietet dem Anwender die Flexibilität, große Bauteile aus verschiedenen Hochleistungsmetallen materialsparend herzustellen. Der 5-Achs-Manipulator und die lineare Generatorverschiebung der PB WEBAM 100 ermöglichen eine maximale Baugröße von 1.400 x 1.300 x 1.100 mm. Die Größe der Anlage ist jedoch individuell anpassbar, um die spezifischen Bauteilanforderungen des Kunden zu erfüllen. Der Elektronenstrahlgenerator hat eine maximale Strahlleistung von 10 kW. Abhängig von den Anforderungen und der Größe des zu fertigenden Bauteils kann das Ausgangsmaterial von 12''-Spulen, 24''-Spulen oder einem Fass stammen. Es können Drahtdurchmesser zwischen 0,8 und 1,6 mm mit einer maximalen Drahtvorschubgeschwindigkeit von 10 m/min verwendet werden.

Abbildung b) WEBAM-Prozesse aufgenommen mit der XVC-1000: Ansicht senkrecht zum Aufbau einer Wand mit nachlaufendem Draht mit fehlerhaften Parametern. (Bild: Xiris Automation)

Technische Daten Xiris XVC-1000

Die Xiris XVC-1000-Kamera hat einen hohen Dynamikbereich (HDR) von 140+dB und verwendet einen Gigabit-Ethernet-Ausgang. Sie liefert Bilder mit einer Auflösung von 1.280 x 1.024 px bei bis zu 55 Bildern pro Sekunde. Durch ihre kompakte Größe und ihr geringes Gewicht ist sie eine ideale Lösung für viele Bildgebungsanforderungen. Xiris Automation ist der weltweit führende Anbieter von HDR-Kameras und beliefert seit mehr als 15 Jahren Hersteller und OEMs in der Schweiß- und AM-Industrie.

Zusammenfassung

pro-beam und Xiris sind nun in der Lage, den Markt mit einer Bildgebungslösung mit hohem Dynamikbereich im Hochvakuum für das Elektronenstrahlschweißen im Allgemeinen und für WEBAM im Besonderen zu beliefern.