Darstellung des WEBAM-Prozesses mit angedeutetem Elektronenstrahl (von oben) und Drahtzuführung ©pro-beam

Ausgabe 05 | 2024

Vorteile der DED-Technologie WEBAM

pro-beam additive GmbH

Das Hauptaugenmerk bei der additiven Fertigung von metallischen Bauteilen lag lange Zeit bei pulverbettbasierten Technologien. Erst in jüngster Zeit gewinnen DED-Technologien (Directed Energy Deposition) vermehrt Interesse. Die zwei Technologien bedienen in der Regel unterschiedliche Märkte, da die Pulverbett-Methoden detailreichere und kleinere Bauteile, aber mit viel niedrigeren Produktionsraten als die DED-Methoden liefern. DED dagegen wird bevorzugt bei grösseren Bauteilen und Halbzeugen eingesetzt, da hier die Produktionsraten wesentlich höher sind.

Bei allen DED-Technologien wird zugeführtes Material (Draht oder Pulver) durch eine Energiequelle geschmolzen. Dabei baut der Anwender das Bauteil lagenweise durch eine Relativbewegung der Materialzuführung zu einem Grundkörper auf. Dies erfolgt in der Regel durch Linearbewegung, Drehung und/oder Kippung des Grundkörpers bei statischer Materialzuführung. Daneben gibt es auch Lösungen, bei denen die Grundplatte statisch bleibt und sich die Materialzuführung bewegt. Hierbei wird der Energiefokus in der Regel mit der Bewegung der Materialzuführung gekoppelt. Bei den DED-Technologien kommen folgende Energiequellen zum Einsatz: Plasma/Lichtbogen (Wire Arc Additive Manufacturing = WAAM), Laser und Elektronenstrahl (Wire Electron Beam Additive Manufacturing = WEBAM).

Additive Fertigung mit WEBAM
Bei dem WEBAM-Verfahren erfolgt die Produktion von dreidimensionalen Bauteilen durch das kontinuierliche Aufschmelzen eines Metalldrahts mit dem Elektronenstrahl. Dieser trifft senkrecht auf die Prozesszone auf, wobei die Relativbewegung passend zum Bauteil festgelegt wird. Aufgrund der starken Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit Gasmolekülen findet der Prozess in der Regel im Hochvakuum statt. Die inerte Umgebung verhindert die Beeinflussung des Materials durch Atmosphärengase, wodurch der Einsatz von Schutzgas entfällt. Ein weiterer Vorteil von WEBAM ist die leichte und schnelle Steuerung des Strahls durch elektromagnetische Felder. Dadurch können Anwender die Energieverteilung beliebig einstellen und die Schmelzraupe bestmöglich beeinflussen. Die Stärken von WEBAM liegen zudem in der Verarbeitung von Materialien mit hoher Oxidationsaktivität, hoher Schmelztemperatur und grosser Lichtreflexion.

Verarbeitung von anspruchsvollen Metallen
Eine Kontamination der Schmelze durch Luftmoleküle kann bei WEBAM, durch die Arbeit im Hochvakuum, auch bei Refraktär-Metallen vermieden werden. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, Energietechnik und der chemischen Industrie wird diese Eigenschaft bei Titanlegierungen und Zirkalloy geschätzt.
Zudem können – dank der hohen Energiedichte des Elektronenstrahls – auch Metalle mit hohem Schmelzpunkt wie beispielsweise Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob und Vanadium gut verarbeitet werden.
Insbesondere in den Bereichen der Energietechnik, Mobilität und Raumfahrt existiert ein grosser Markt für Produkte aus Kupfer. Während dieses Material aufgrund seiner hohen Lichtreflexion als schwer aufzuschmelzen gilt, erzielt der Elektronenstrahl auch bei diesem Metall einen hohen Energieeintrag und damit die gewünschte Effizienz. Mit WEBAM können Kupferkomponenten mit hohen Auftragsraten von bis zu 3 kg/h hergestellt werden. Wände, Zylinder, Halbkugeln sowie Kegel mit Wandstärken zwischen 3 und 8 mm werden dabei mit einer hohen Oberflächenqualität gefertigt.
pro-beam, ein weltweit führender Elektronenstrahlexperte sowie Anbieter von additiven Fertigungslösungen, zeigt, dass der Elektronenstrahl für die Verarbeitung von Kupfer prädestiniert ist. Das Team hat ein 22 kg schweres Modell eines Raketenantriebs aus drei Einzelteilen per WEBAM-Verfahren hergestellt und anschliessend mit dem Elektronenstrahl verschweisst. Die drei Einzelteile wurden innerhalb von vier Tagen gebaut. Hinzu kam die benötigte Zeit für die Schweissnahtpräparation und das anschliessende Fügen der Einzelteile, sodass das Modell in weniger als zwei Wochen finalisiert wurde. Mit einem über 180° kippbaren Tisch sowie einer entsprechend grossen Anlage, wie der PB WEBAM 100, ist es auch möglich, diese Geometrie an einem Stück additiv herzustellen.

Drahtqualität beeinflusst Drahtzuführung und -schmelze
Genauso wichtig wie die Wahl des Verfahrens ist auch das richtige Material. Dies zeigt ein weiteres Beispiel von pro-beam: Mit seiner WEBAM-Anlage PB WEBAM 100 hat das Unternehmen ein Modell einer Raketenantriebsdüse von 1 m Höhe und 53 kg Masse hergestellt. Dabei kamen Ti6Al4V Drähte von drei verschiedenen Anbietern zum Einsatz. Nach einer reinen Bauzeit von 48 Stunden, bei einer Auftragsrate von 1,1 kg/h, konnten die Experten folgendes Fazit ziehen: Die chemische Reinheit und die Geradheit des Drahtes bestimmen die Qualität der resultierende Schmelzraupe. Beim Bau des ersten (unteren) Drittels gab es viele Spritzer, die bei den anderen Drahtchargen nicht auftraten. Dies wurde auf eine mindere Reinheit des Drahtmaterials zurückgeführt. Zudem kam der Draht des ersten und des zweiten Lieferanten sehr gerade von der Spule, während der Draht des dritten Lieferanten eine Helix mit einem Ø von zirka 1 m bildete. Diese ausgeprägte Helix führte zu einer unruhigen Drahtzuführung in den Schmelzprozess, was sich in einer welligen Oberfläche im oberen Drittel des Baus widerspiegelt. Somit lieferte der Draht, der für den mittleren Bereich der Raketenantriebsdüse zum Einsatz kam, die beste Oberflächenqualität und wurde entsprechend am positivsten bewertet.

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