Additive-FertigungGroße Metallbauteile durch WEBAM von pro-beam
Wer die Additive Fertigung großer Metallbauteile anstrebt, findet unter den DED-Technologien (DED: directed energy deposition) entsprechende Lösungen. Diese verwenden eine Energiequelle, um zugeführtes Material – meist ein Draht – durch Schmelzen aufzutragen.
Beim Einsatz eines Elektronenstrahls zur Bearbeitung von Werkstoffen werden an einer Kathode Elektronen freigesetzt, beschleunigt und zu einem feinen Strahl gebündelt.
Technische Daten
• Fertigungsmethode: WEBAM (Wire Electron Beam Additive Manufacruting)
• Leistungen des Elektronenstrahls/max. Strahlleistung: 60 kV / 10 kW
• Prozessdruck: 10⁻⁴ mbar
• Draht-Auftragsrate: bis zu 10 m/min
• Materialbereitstellung: Spule, Tonne
• Drahtdurchmesser: 0,8 – 1,6 mm
• Metalle: Titan, Inconel, Kupfer, Stahl sowie Refraktärmetalle etc.
• Steuerungssystem: CNC-basiert (Siemens Sinumerik One)
• Optional: Softwareschnittstellen – unter anderem Siemens NX
• Baugröße: Kundenspezifisch auf Anfrage
Beispiel für PB WEBAM 100
• Anlagengröße: 10 x 7 x 3,4 m
• Evakuierungszeit: 10 – 15 min
• Bauraumgröße: 1.370 x 1.260 x 1.115 mm³
• Kinematiken: WEBAM-Kinematics, 5-achsig, lineare Generatorverschiebung
Ein solches DED-Verfahren ist das Wire Electron Beam Additive Manufacturing (WEBAM), bei dem ein Elektronenstrahl als Energiequelle dient. Durch eine Relativbewegung der Materialzuführung zu einer Grundplatte beziehungsweise einem Grundkörper wird das Bauteil schichtweise aufgebaut. Dies erfolgt bei den DED-Verfahren in der Regel durch Linearbewegung, Drehung und/oder Kippung der Grundplatte oder des Grundkörpers bei statischer Materialzuführung.
Die RB WEBAM von pro-beam ist in verschiedenen Größen und mit unterschiedlichen Kinematiken verfügbar.
Dr. Thorsten Löwer
CTO bei pro-beam GmbH & Co. KGaA
„optional“
DED-Verfahren für hochwertige Bauteile
WEBAM bietet einzigartige Vorteile, die den Marktanforderungen an hochwertigen Teilen gerecht werden. Dazu zählt unter anderem die leichte und schnelle Steuerung des Strahls durch elektromagnetische Felder, wodurch auch komplexe Strahlfiguren mit gezielter Energiedichteverteilung möglich sind. Dies erlaubt eine deutliche Produktivitätssteigerung. Zusätzlich kann die Energieverteilung mittels Oszillation des Strahls leicht kontrolliert werden, sodass die Breite des Schmelzgutes auch während des Prozesses exakt verändert werden kann. So können mit nur einem Drahtdurchmesser unterschiedliche Wandstärken innerhalb eines Bauteils in einem einzigen Aufbau realisiert werden.
Die Nachbildung einer Raketenantriebsdüse mit drei Versteifungsringen demonstriert, dass große Ti6Al4V-Bauteile mit WEBAM hergestellt werden können.
WEBAM als ideales Werkzeug für Kupfer, Titan und Co.
Zudem ist mit dem Elektronenstrahl eine Strahlleistung von 30 kW und mehr möglich. Derart hohe Strahlleistungswerte können für Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder hohen Schmelztemperaturen erforderlich sein. Deshalb eignet sich DED-EB ideal für Materialien wie Kupfer, Gold, Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Vanadium und andere schwer schmelzbare Metalle.
Insbesondere für Produkte aus Kupfer gibt es einen großen Markt in den Bereichen der Energietechnik, Mobilität oder Luft- und Raumfahrt. Aber auch die Additive Fertigung von Gold und Silber findet in der Schmuck- und Uhrenindustrie zunehmendes Interesse. Komponenten für diese Branchen weisen häufig komplexe Formen auf, die traditionelle Herstellungsverfahren an ihre Grenzen bringen können und den Einsatz der Additiven Fertigung wünschenswert machen. Kupfer, Silber und Gold weisen jedoch eine hohe Lichtreflexion auf. In diesem Zusammenhang hat DED-EB einen Vorteil gegenüber anderen DED-Verfahren: Die kinetische Energie des Elektronenstrahls wird direkt in Wärme umgewandelt, sodass nahezu die gesamte Energie des Elektronenstrahls im Prozess verfügbar ist und eine entsprechend hohe Effizienz erzielt wird. Dadurch sind für Kupfer hohe Abscheidungsraten von über 7 kg/h zu erreichen.
Als wirtschaftlicher und ökologischer Vorteil gilt beim DED-EB der Wegfall von etwaigen Schutzgasen. Speziell bei großen AM-Bauteilen kann der Einsatz einer Vakuumkammer wirtschaftlicher sein als das Füllen einer Kammer mit Schutzgas. Die Arbeit im Vakuum verhindert eine Oxidation des Bauteils und kann zu einer besseren Bauteilqualität führen. Guter Schutz gegen Oxidation ist insbesondere für Refraktärmetalle von entscheidender Bedeutung. Daher ist WEBAM ideal für Titanlegierungen und Zirkalloy, die in sicherheitskritischen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Kernenergie oder der Chemieindustrie eine wichtige Rolle spielen.
Dass große Ti6Al4V-Bauteile mit WEBAM hergestellt werden können, demonstriert die Nachbildung einer Raketen-Düse mit drei Versteifungsringen: Hier wurde zunächst ein Zylinder und anschließend mittels Neigung die Schale aufgebaut. Die Schale wurde mit einer Abscheidungsrate von 1,1 kg/h und einer reinen Abscheidezeit von 48 Stunden hergestellt. Anschließend wurde das gesamte Bauteil zur Hauptachse geneigt und horizontal ausgerichtet, um die drei Versteifungsringe aufzubringen. Das Endprodukt hat eine Höhe von 1 m, eine Wandstärke von 6 mm und ein Gewicht von 44 kg.
Resümee
Die genannten Vorteile führen dazu, dass die drahtbasierte Additive Fertigung mit dem Elektronenstrahl in der Lage ist, Produkte mit hohen Qualitätsansprüchen und aus Materialien mit hoher Oxidationsaktivität, mit hoher Schmelztemperatur und mit hoher Lichtreflexion bereitzustellen. Darüber hinaus verspricht die konkurrenzlose Kontrolle des Energieeintrags die Möglichkeit zur Verbesserung der Oberflächenqualität sowie der Materialeigenschaften.
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