Fügeprozesse verbrauchen wesentliche Energie- und Ressourcenanteile.  Wobei selbst bei identischen Schweißergebnissen die Energieeffizienz des gesamten Prozesses der einzelnen Schweißverfahren sehr unterschiedlich sein kann. Intelligente Schweißverfahren haben einen wesentlichen Einfluss auf den Einsatz von Energien, Materialien und Man-power. Das liegt daran, dass das jeweilige Verfahren die vor- und nachgeschalteten Fertigungsschritte direkt beeinflusst oder bestenfalls eliminieren kann.

Die wichtigsten Schmelzschweißverfahren, die industriell zum Einsatz kommen, sind das Gasschmelzschweißen (auch Autogenschweißen genannt), Lichtbogenhandschweißen, Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), Metallschutzgasschweißen, Unterpulverschweißen, Plasmaschweißen, Laserschweißen und das Elektronenstrahlschweißen.

Einordnung des Elektronenstrahlschweißens in Relation zum WIG- und Laserschweißen

Das Elektronenstrahlschweißen ist ein Fügeverfahren, bei dem Elektronen im Vakuum freigesetzt und auf die zu verschweißende Werkstückoberfläche fokussiert werden. Der Elektronenstrahl hat eine extrem hohe Energiedichte und ermöglicht dadurch das Schweißen von dünnen bis zu sehr dicken Wandstärken. Elektronenstrahlschweißen ist ein schnelles Schweißverfahren mit geringem Schweißverzug. Da der Prozess üblicherweise im Vakuum erfolgt, wird kein Schutzgas benötigt. Der Wirkungsgrad eines Elektronenstrahlgenerators liegt bei über 85%, wodurch der Prozess sehr energieeffizient ist.

Beim WIG-Schweißen brennt ein Lichtbogen zwischen Werkstück und einer Wolframelektrode, die im Gegensatz zu anderen Verfahren aber nicht abschmilzt. Das WIG-Schweißen ist ein recht langsames Verfahren, erzeugt aber gute Schweißnähte. Durch den Wärmeeintrag entsteht jedoch ein beachtlicher Verzug des Werkstückes. Für die Betrachtung der Effizienz ist außerdem der Verbrauch von Schutzgas und Schweißzusatz zu beachten.

Beim Laserschweißen wird der Strahl mittels einer Optik auf dem Werkstück fokussiert und die Schweißung erfolgt in der Regel ohne einen Zusatzwerkstoff. Der Schweißprozess ist relativ schnell und der zu erwartende Schweißverzug des Werkstückes bleibt moderat. Durch die Reflektivität der Metalle für Laserstrahlen sinkt jedoch in Abhängigkeit des Materials und der Wellenlänge die Effektivität des Prozesses. Auch die Verwendung von Schutzgas muss für die Betrachtung des gesamten Prozesses beachtet werden.

Energieeffizienz in der Produktion

Es kann zweifelsfrei angenommen werden, dass Nachhaltigkeit und der ökologische Fußabdruck von Unternehmen in Zukunft immer wichtiger werden und diese Themen somit eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der Fertigungsprozesse einnehmen werden. Neben dem Wirkungsgrad einer Maschine wird auch noch deren Ökobilanz bei der Herstellung, bei Betrieb und beim Recycling betrachtet werden. Gerade in diesen Bereichen ist das Elektronenstrahlschweißen als besonders nachhaltiges Fertigungsverfahren hervorzuheben. Da beim Schweißprozess kein Schutzgas benötigt wird, das einzige Verbrauchsmaterial die Kathode ist und der Wirkungsgrad sehr hoch ist, ist die Effizienz beim Betrieb einer Elektronenstrahlmaschine außerordentlich gut.

Fazit

Um die Energieeffizienz beurteilen zu können ist eine Betrachtung des gesamten Herstellungsprozesses notwendig. Das Elektronenstrahlschweißverfahren bietet viele Möglichkeiten die Ökobilanz zu verbessern und durch seine Vorteile die Herstellungskosten zu senken. Sprechen Sie uns an und wir helfen Ihnen gerne Ihre Prozesse energieeffizient zu optimieren.

Weitere Informationen finden Sie unter:
www.sst-ebeam.com

Das entwickelte und innovative EBOADD-Verfahren gehört zu den drahtbasierten Verfahren. Dabei wird ein Draht mit dem Elektronenstrahl aufgeschmolzen und selektiv deponiert.

Im Gegensatz zu pulverbasierten Verfahren bietet das EBOADD-Verfahren eine höhere Aufbaurate. Zusätzlich ist das Rohmaterial in Drahtform in der Anschaffung günstiger und weniger anfällig für äußere Verunreinigung wie z.B. durch Sauerstoff.

Ein weiterer Vorteil von EBOADD ist der Elektronenstrahl. Dieser kann mit bis zu 150 kV Beschleunigungsspannung herausfordernde Materialien aufschmelzen, die z.B. eine hohe Reflektivität (Kupfer) oder eine sehr hohe Schmelztemperatur (Wolfram) aufweisen. Auch rissanfällige (Nickellegierungen) oder reaktive Materialien (Titanlegierungen) können gut verarbeitet werden. Letzteres ist durch das erforderliche Vakuum gegeben.

Experimentelle Durchführung

Verwendet wird eine Elektronenstrahlanlage mit einem Kammervolumen von 22 m³ und einem 150 kV Elektronenstrahlgenerator. Die Startplatte wird auf einer Kipp-Z-Drehvorrichtung eingespannt. Die verwendete Anlage und der beispielhafte Versuchsaufbau werden in Abbildung 1 dargestellt.

Zu Beginn wird eine Startplatte im Vakuum mit einem defokussierten Strahl auf 600-800 °C vorgeheizt. Für diesen Vorgang ist keine zusätzliche Hardware erforderlich. Der additive Aufbau erfolgt mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV und einem Strahlstrom von 11-12 mA. Der auf einen Punkt zentrierte Strahl bewegt sich mit 20 Hz und einem Radius von 2,25 mm um ein Zentrum herum. In dieses Zentrum wird ein Edelstahldraht (Werkstoffnummer 1.4316) von 1,6 mm Durchmesser mit einer Geschwindigkeit von 15 mm/s diskontinuierlich befördert, aufgeschmolzen und deponiert. Im Gegensatz zu einer kontinuierlichen Drahtzuführung wird der Ansatz verfolgt, dass mit einer Punkt-aufbaudauer von 1s, Punkt für Punkt das Bauteil aufgebaut wird. Bedeutet, nachdem ein Punkt additiv aufgebaut wurde, wird der Draht leicht zurückgezogen und das Bauteil um 3 mm bewegt (Abstand der Punkte zueinander). Die Orientierung der Drahtzuführung zur aufgebauten Wand hat durchgehend einen Winkel von 90° (seitlich). Die Schichtdicke beträgt 1,5 mm. Damit wird eine Aufbaurate von ca. 30 cm²/h erreicht.

Für den Zugversuch werden Proben nach DIN 50125 mit der Probengeometrie E aus dem additiv gefertigtem Muster geschnitten. Zwei Orientierungen, vertikal und horizontal zur Aufbaurichtung, werden untersucht. Der Zugversuch wird an einer Universalprüfmaschine, Inspect 50 desk von Hegewald Peschke, mit einer Dehnrate von 0,0067 1/s durchgeführt.

Die Härtemessung nach Vickers erfolgt an einem polierten Schliff, mittig entlang der Aufbaurichtung. Verwendet wird das Modell Z3.2A der Firma Zwick & Co. KG.

Für den metallographischen Schliff wird die Probe eingebettet und mit Schleifpapier aufsteigender Körnungen (120 – 1.000 Körnungen) plan geschliffen und mit einer abschließenden Diamantpolitur (3 µm) poliert. Für das Gefügebild in Abbildung 2b wird die Probe nach Adler geätzt.

Ergebnisse und Diskussion

In Abbildung 2a ist das hergestellte Muster dargestellt. Es ist ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 90 mm und einer Wandstärke von ca. 5 mm.

Der hergestellte Schliff in Abbildung 2b zeigt ein kolumnares Gefüge, welches in Aufbaurichtung orientiert ist. Abbildung 2c stellt das austenitische Gefüge mit Deltaferrit dar. Defekte wie Poren, Risse oder Schichtanbindungsfehler werden nicht detektiert.

Im Zugversuch wird vertikal eine Zugfestigkeit von 500 MPa ± 8 MPa und horizontal von 550 MPa ± 4 MPa ermittelt. Hinsichtlich der Bruchdehnung wird vertikal ein Wert von 58,0 % ± 1,8 % und horizontal einen Wert von 52,4 % ± 0,4 % gemessen. Anhand dieser Ergebnisse ist eine gewisse Anisotropie zu erkennen wie sie typisch für die additive Fertigung ist [1-2]. Im technischen Datenblatt des Drahts werden Richtwerte von 590 MPa Zugfestigkeit und 35 % Bruchdehnung angegeben. Es zeigt sich, dass die hier ermittelten Werte hinsichtlich der Zugfestigkeit knapp darunter und hinsichtlich der Bruchdehnung weit darüber befinden. Die gemessene Härte liegt bei 173,5 ± 9,47 HV0,5 und damit leicht über den Angaben des technischen Datenblattes von 160 HV.

Die erwähnte Aufbaurate von ca. 30 cm³/h ist verglichen zu einem kontinuierlichen Drahtvorschub niedriger. Dies konnte jedoch weiter optimiert werden (siehe Abbildung 3). Der angewendete Ansatz bietet allerdings den Vorteil nicht rotationssymetrische Bauteile besser herstellen zu können.

In Abbildung 3 sind exemplarisch verschiedene Geometrien mit unterschiedlichen Materialien dargestellt, die bei der Steigerwald Strahltechnik GmbH mit EBOADD hergestellt wurden.

Zusammenfassung und Ausblick

Das von Steigerwald Strahltechnik GmbH entwickelte EBOADD-Verfahren bietet die Möglichkeit drahtbasierte additive Fertigung durchzuführen. Es können eine große Bandbreite von metallischen Legierungen verarbeitet werden. Auch der Aufbauprozess und die Strahlführung können beliebig mit der CNC-Programmierung vorgegeben werden.

Die Ergebnisse zeigen das Potential der drahtbasierten additiven Fertigung für komplexere Geometrien. Zusätzlich können mit den hier gezeigten Prozessparametern ein defektfreies und stängelkristallines Gefüge mit einer leicht anisotropen Zugfestigkeit und einer hohen Bruchdehnung erzielt werden.

Somit bietet dieser Prozess ein großes Potential hinsichtlich der drahtbasierten additiven Fertigung. Es können schwierig zu verarbeitende Materialien verwendet werden um mittels dem punktuellen Auftrag komplexere Geometrien zu erzeugen. Großes Optimierungspotential liegt auch bei der Aufbaurate und der möglichen parallelen Nutzung mehrerer Materialien.

Danksagung

Unser Dank geht an Prof. Dr.-Ing. Ghazal Moeini. Sie hat sich bereit erklärt die mechanischen Eigenschaften (Zugversuch) sowie das Mikrogefüge der additiv aufgebauten Proben zu untersuchen.

Referenzen

[1]        C. Körner (2016) Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting — a review, International Materials Reviews, 61:5, 361-377, DOI: 10.1080/09506608.2016.1176289

[2]        R. Guschlbauer, A. K. Burkhardt, Z. Fu, C. Körner (2020) Effect of the oxygen content of pure copper powder on selective electron beam melting, Materials Science and Engineering: A, Volume 779, DOI: 10.1016/j.msea.2020.139106.

© Ralf Guschlbauer, Entwicklungsingenieur, Steigerwald Strahltechnik GmbH, r.guschlbauer@sst-ebeam.com

Pavlo Denysiuk, Entwicklungsingenieur, Steigerwald Strahltechnik GmbH

Dr. Michael Maaßen, Forschung & Entwicklung Leitung, Steigerwald Strahltechnik GmbH

Prof. Dr.-Ing. Ghazal Moeini, Institut für Maschinenbau, Westfälische Hochschule

Weitere Informationen finden Sie unter:
www.eboadd.com und www.sst-ebeam.com

Steigerwald Strahltechnik GmbH
Emmy-Noether-Straße 2
DE – 82216 Maisach
info@sst-ebeam.com
www.eboadd.com
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Für die Zukunft gerüstet – eine Revolution in der industriellen Fertigung
Ähnlich dem mittlerweile etablierten 3-D-Druckverfahren für Kunststoffe nutzt die additive Fertigung das zugrunde liegende Prinzip und ermöglicht einen schichtweisen Aufbau von hochkomplexen, metallischen Bauteilen. Die benötigten Daten dazu können dabei unmittelbar aus den CAD-Dateien der Konstruktionsabteilung übernommen werden.
Mit dem von SST entwickelten neuartigen Verfahren EBOADD können so neue Geometrien, Werkstoff- und Legierungskombinationen realisiert werden, die neue Möglichkeiten in der Fertigung von Werkstücken und Produkten eröffnen. Es können mit EBOADD in nur einem Prozessschritt neue und innovative Bauteile kostengünstig, flexibel und schnell realisiert
werden. Spann-Werkzeuge entfallen komplett.
Neben der hochpräzisen Fertigung bietet die Technologie eine ganze Reihe weiterer Vorteile, wie z.B. eine kostengünstige Produktion, einen hohen Durchsatz, minimierte Fertigungszeiten und einen reduzierten Materialbedarf.

EBOADD – mit effizienter Energiequelle für hohe Geschwindigkeiten
Werfen wir nun einen Blick auf die Details des EBOADD-Verfahrens:
Die additive Fertigung erfolgt in speziell für dieses 3-DMetalldruckverfahren ausgerüsteten Elektronenstrahl-Kammermaschinen unterschiedlicher Größen, je nachdem ob kleinere, mittlere oder große und schwere Bauteile gefertigt werden sollen. Ist letzteres der Fall, kommen EBOADD-Maschinen mit einem Kammervolumen von ca. 50 m3 und mehr zum Einsatz.
Als Energiequelle wird ein effizienter Elektronenstrahl genutzt, der in der EBOADD-Kammermaschine durch eine leistungsstarke Generatoreneinheit generiert wird. Die verfahrbaren Generatoren ermöglichen Leistungsflussdichten bis über 107 W/cm2.
Während der Bearbeitung schmilzt der Elektronenstrahl die Ausgangsmaterialien auf und  ermöglicht so den kontinuierlichen Aufbau des Werkstücks. Da der Schweißprozess im Vakuum erfolgt, können neben einer ganzen Reihe von anderen Vorteilen, sehr hohe  Aufbaugeschwindigkeiten auch bei reaktiven, luftempfindlichen Materialien realisiert werden.

Neue Chancen für die Hochtechnologie
Besonders in Hochtechnologie-Branchen wie etwa im E-Mobility-Bereich, bei den erneuerbaren Energien, im Maschinen- und Anlagenbau oder auch in der Forschung und Entwicklung orientiert man sich Tag für Tag an neuen, zukunftsweisenden Schlüsseltechnologien, um rechtzeitig die Weichen für eine erfolgreiche Zukunft stellen zu können.

Hierzu äußerst sich Dr. Michael Maaßen, Entwicklungsleiter bei Steigerwald Strahltechnik: „Besonders im Bereich der Hochtechnologie bietet das EBOADD-Verfahren unseren Kunden und Projektpartnern strategische Vorteile gegenüber potentiellen Wettbewerbstechnologien. Das  Verfahren ermöglicht eine nahezu unbegrenzte Designflexibilität mit der Möglichkeit neue Materialkombinationen mit neuen integrierten Funktionen und optimierten Werkstoffeigenschaften zu entwickeln. Außerdem entstehen durch den Wegfall teurer Spannwerkzeuge eine nicht unerhebliche Material- und Zeiteinsparung und die kurzen Vorlaufzeiten, durch direkte Verarbeitung aus CAD- Anwendungen, ermöglichen ein flexibles Prototyping On-Demand.“

Mit Kooperationen neue Wege in die Zukunft gestalten
Der noch recht junge Bereich der additiven Fertigung mit dem Elektronenstrahl auf Drahtbasis bietet besonders den innovationsorientierten Unternehmen ein enormes Entwicklungspotential. Zusammen mit seinen namhaften Partnern aus Forschung und Entwicklung bietet Steigerwald
Strahltechnik diesen Unternehmen die Möglichkeiten von projektbezogenen aber auch langfristigen Kooperationen.
Dies bedeutet z.B. eine gemeinsame Entwicklung von innovativen Verfahrenslösungen auch bei gänzlich neuen Werkstoffkombinationen, Bauteilarchitekturen und Funktionsanforderungen. „Kooperationen und Partnerschaften mit zukunftsorientierten Unternehmen, Instituten oder Institutionen sind uns sehr willkommen“, so der SST Entwicklungsleiter Dr. Michael Maaßen, „zusammen bieten sich allen Beteiligten unzählige Chancen den Herausforderungen nicht nur gerecht zu werden, sondern eine erfolgreiche unternehmerische Zukunft aktiv mitzugestalten.“

Mehr Informationen unter: www.eboadd.com

BU: Moderne Universal-Elektronenstrahlkammermaschine von Steigerwald Strahltechnik

Seit Jahren pflegt Steigerwald Strahltechnik enge partnerschaftliche Zusammenarbeiten mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen, wie z.B. dem FZ Jülich oder dem Institut für Schweiß- und Fügetechnik (ISF) an der RWTH Aachen. Gemeinsam werden neue Verfahren und Anwendungsmöglichkeiten der EB-Technologie erforscht, um diese dann bis zur Marktreife weiterzuentwickeln.

Die Elektronenstrahl-Spezialisten bei SST sind besonders stolz auf die langjährige strategische Partnerschaft mit der Europäischen Organisation für Kernforschung, CERN – das größte Zentrum für physikalische Grundlagenforschung der Welt.

Untersucht werden hier „die Bausteine der Welt“ und ihre Wechselwirkungen, also den Aufbau der Materie bis in das Innere von Atomen hinein. Das geschieht u.a. mit dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) – der sogenannten „Weltmaschine“. Für den Bau von Teilchenbeschleunigern werden Hohlraumresonatoren (Kavitäten) benötigt. Diese bestehen aus Niob oder Kupfer. Für das Fügen von Kavitäten sind neben höchster Präzision ganz besondere Anforderungen an die Schweißnähte gestellt, die nur durch das Elektronenstrahlschweißen sichergestellt werden können. Gemeinsam mit den Spezialisten am CERN entwickelte SST für diese Anwendung ein spezielles Verfahren, dass auf einer Elektronenstrahl-Kammermaschine des Typs „EBOCAM“ so perfek-tioniert werden konnte, dass die Kavitäten für die Linearbeschleuniger unter Nutzung des SST 90°-Ablenkers „EBOBend“ von innen geschweißt werden können. Dadurch wird erreicht, dass die innere Oberfläche der Kavität keinerlei Unebenheiten aufweist.

BU: 90-Grad-Ablenker EBOBend

Die Herausforderung bestand darin, dass die ca. 1.200 mm langen Cavity- Elemente nur einen Innendurchmesser von ca. 80 mm haben. Das SST „EBOBend“-System taucht in die jeweiligen Abschnitte der Kavitäten ein und ein spezielles Spulensystem lenkt den hocheffizienten Elektronen-strahl um 90° ab. Dadurch werden die Fügestellen von der Innenseite verschweißt, was eine um ein Vielfaches höhere Qualität gewährleistet, als mit einer Schweißung von außen.

BU: Cavity-Element für Linearbeschleuniger

Mehrere universelle Elektronenstrahlmaschinen von Steigerwald Strahltechnik und dem Schwesterunternehmen PTR Strahltechnik sind dafür am CERN im Einsatz.

Weiter Informationen erhalten sie unter www.sst-ebeam.com