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© pro-beam GmbH & Co. KGaA
09.08.2021

Mit Elektronenstrahlschweißen zu additiv gefertigten Metallbauteilen

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Schweissen und Schneiden

Mit Elektronenstrahlschweißen zu additiv gefertigten Metallbauteilen

Der weltweit tätige Elektronenstrahlexperte pro-beam aus Gilching ist in die industrielle additive Fertigung von Metallbauteilen eingestiegen. Eine seiner künftigen Lösungen in diesem Bereich ist das so genannte WEBAM-Verfahren (Abkürzung für Wire Electron Beam Additive Manufacturing).

Integration von Drahtzuführungssystemen in Schweißanlagen

Bereits vor einigen Jahren untersuchte das Unternehmen die Integration von Drahtzuführungssystemen in Schweißanlagen. Es zeigte sich, dass der zusätzliche Einsatz von Draht eine kontrollierte Legierungseinstellung der Schweißnaht erlaubt und neue Möglichkeiten im Bereich des Auftragschweißens bzw. des Reparaturschweißens eröffnet. Dieses wird vor allem bei hochwertigen Komponenten in Betracht gezogen, die nicht kurzfristig verfügbar sind. Je nach Bauteil kann es zudem wirtschaftlicher als eine Neuanschaffung sein.

Dr. Thorsten Löwer, CTO bei pro-beam. - © pro-beam GmbH & Co. KGaA
Dr. Thorsten Löwer, CTO bei pro-beam. © pro-beam GmbH & Co. KGaA

„Nach positiven, internen Ergebnissen haben wir unsere Anlagenbau-Optionen um ein Drahtzuführungssystem erweitert“, sagt Dr. Thorsten Löwer, technischer Direktor (CTO) bei pro-beam und ergänzt: „Auf diese Weise erweiterten wir unseren Kundenkreis um Unternehmen, die sich auf das Reparaturschweißen spezialisiert haben.“ In der eigenen Auftragsfertigung wurde das Verfahren hingegen ausschließlich auf Wunsch von Bestandskunden umgesetzt, so auch bei einem Produzenten von Walzblöcken, der Rollenachsen aus dem Vergütungsstahl 34CrNiMo6V einsetzte.

Zwei solcher Rollen wiesen starken Verschleiß auf. Laut Hersteller hätte die Neuanschaffung zu mehreren Monaten Maschinenstillstand und damit zu hohen Kosten geführt. Auf der Suche nach Alternativen entschied sich der Industriezulieferer für das Reparaturschweißen bei pro-beam. Die Aufgabe bestand in der Wiederherstellung der defekten Bereiche bei einem möglichst geringen Nachbearbeitungsaufwand. Deshalb hat der Elektronenstrahlexperte die Bereiche zunächst abgedreht und danach mithilfe des Elektronenstrahls und des Drahtzuführungssystems mehrere Schichten des Grundwerkstoffs neu aufgebaut. Dank des endkonturnahen Auftragens mussten beide Komponenten nur noch auf den finalen Durchmesser abgedreht und minimal geglättet werden.

Auf diese und weitere Erfahrungen beim Reparaturschweißen folgte die Erforschung der drahtbasierten additiven Fertigung und die Gründung der pro-beam additive GmbH. Seither wurde das bestehende System optimiert. Dazu gehört die verbesserte Kinematik sowie das Einbinden der Drahtzuführung in die etablierte CNC-Steuerung. Mit ihr können auch prozessrelevante Steuergrößen wie Strahlstrom und -fokus während des Bauprozesses geregelt werden.

Reparaturschweißen: Mit Elektronenstrahl und Drahtzuführungssystem wurden zusätzliche Schichten auf eine verschlissene Welle aufgetragen. - © pro-beam GmbH & Co. KGaA
Reparaturschweißen: Mit Elektronenstrahl und Drahtzuführungssystem wurden zusätzliche Schichten auf eine verschlissene Welle aufgetragen. © pro-beam GmbH & Co. KGaA
Das Auftragschweißen mittels Elektronenstrahl ermöglicht eine Kombination verschiedener Werkstoffe. - © pro-beam GmbH & Co. KGaA
Das Auftragschweißen mittels Elektronenstrahl ermöglicht eine Kombination verschiedener Werkstoffe. © pro-beam GmbH & Co. KGaA
WEBAM-Verfahren mit großem Potential

Mit dem WEBAM-Verfahren wurden bereits verschiedene industrierelevante Metalle wie Titan, Edelstahl, Nickelbasislegierungen und Kupfer verarbeitet. Um sowohl die Kompetenz in der Kupferbearbeitung als auch das Potenzial der WEBAM-Technologie bestmöglich zu verdeutlichen, hat pro-beam ein 650 mm hohes Kupfermodell eines Raketenantriebs additiv gefertigt. Dank der Geometrietreue konnte das Modell in drei separaten Abschnitten gefertigt, anschließend passgenau zusammengesetzt und mit der etablierten Elektronenstrahlschweißtechnik des Unternehmens gefügt werden. Das Bauteil wurde mit einer Baurate von 2 kg/h produziert und hat eine Wanddicke von 6 mm. Es ist möglicherweise das bisher größte additiv gefertigte Modell aus Kupfer und demonstriert das Potenzial des elektronenstrahlbasierten additiven Fertigungsverfahrens von pro-beam. 

Mit seinen rotationssymmetrischen Bauteilen hat das Unternehmen bereits überzeugende Ergebnisse in Bezug auf Reproduzierbarkeit, Geometriegenauigkeit und Oberflächenqualität erzielt. „Wir arbeiten schon intensiv an der Weiterentwicklung unseres WEBAM-Verfahrens – sei es im Hinblick auf die Strahleigenschaften, die möglichen Geometrien oder die Materialvielfalt. Gleichzeitig möchten wir uns in den Bereichen der Oberflächenqualität und Geschwindigkeit von den anderen Prozessen abheben“, so Dr. Thorsten Löwer.

(Quelle: pro-beam GmbH & Co. KGaA; Autorin: Marlina Schütze)

Additiv gefertigtes Modell eines Raketenantriebs aus Kupfer. - © pro-beam GmbH & Co. KGaA
Additiv gefertigtes Modell eines Raketenantriebs aus Kupfer. © pro-beam GmbH & Co. KGaA

Schlagworte

Additive FertigungElektronenstrahlElektronenstrahlschweißenEntwicklungReparaturReparaturschweißenStrahlschweißen

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