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Metal 3D Printer – Additive Manufacturing Systems made in Austria

In den letzten 10 Jahren gab es im Bereich 3D-Druck eine wahre Flut an neuen 3D Druck Maschinenherstellern, Dienstleistern sowie Druck-Technologien. Wire and Arc Additive Manufacturing, kurz WAAM, ist dabei ein relativ junges Verfahren innerhalb des 3D Druckes, welches auf einer jahrzehntelang erprobten Schweißanwendung basiert – dem Auftragsschweißen.

SBI auf einem Blick

SBI beschäftigt sich seit dem Jahr 2000 mit der Herstellung von qualitativ hochwertigen Plasmaschweißstromquellen für industrielle Anwendungen im Bereich Verbindungs- und Auftragsschweißen (siehe Schmiedegesenk, Klammer, Extruderschnecke).

Die Produktpalette deckt folgende Plasmaprozesse ab:

  • Mikroplasma
  • Plasma-Punktschweißen
  • Plasma-Stichlochschweißen
  • Plasma-Pulverschweißen

Der Plasmalichtbogen kann dabei im Gleichstrom (DC+ und DC-) und im Wechselstrom (AC) betrieben werden.

Durch Auftragsschweißen instandgesetzte Werkzeuge: Schmiedegesenk (links), Klammer (mitte), Extruderschnecke (rechts)
Durch Auftragsschweißen instandgesetzte Werkzeuge: Schmiedegesenk (links), Klammer (mitte), Extruderschnecke (rechts)

In den folgenden Jahren wurden Schweißautomatisierungen sowie maßgeschneiderte Brennersysteme und Peripherielösungen in das Portfolio mitaufgenommen.

Im Bereich WAAM ist SBI seit 2009 als Lieferant von Schlüsselkomponenten tätig. Im Jahr 2016 wurde der entscheidende Schritt zur eigenen Fertigung von WAAM-Systemen gesetzt. Nach 3 Jahren Entwicklungs- und Testzeit mit Prototypanlage wurden Ende 2018 die ersten serienreifen WAAM-3D-Systeme unter dem Namen Metal 3D Printer (M3DP) vorgestellt (siehe M3DP-Anlage).

M3DP Anlage von SBI Produktion techn. Anlagen GmbH
M3DP Anlage von SBI Produktion techn. Anlagen GmbH

Wire and Arc Additive Manufacturing

Die heutigen Anforderungen zum Einhalten von Umweltvorschriften und der gleichzeitige Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit sind oft schwer miteinander zu kombinieren. AM bietet die Möglichkeit beide Anforderungen zu erfüllen. In der Luft- und Raumfahrt ist dabei oft vom „Buy-to-Fly Ratio“ die Rede. Dieses beschreibt das Massenverhältnis von gekauftem Werkstoff zum Produkt (siehe Buy-to-Fly). Ein niedriges BTFR spart zudem nicht nur wertvolle Rohstoffe sondern auch Zeit und Geld für aufwendige Dreh- und Fräsarbeiten.

Buy-to-Fly Ratio
Buy-to-Fly Ratio

Bei WAAM wird ein Lichtbogen als Energiequelle zum lokalen Schmelzen einer Substratplatte genutzt und durch Zufuhr von Draht in das Schmelzbad ein Materialauftrag (=Schweißraupe) erzielt. Durch Bewegen des Brenners und des Drahtes kann entlang einer beliebigen Kontur Material aufgetragen werden. Setzt man im Weiteren mehrere Konturen übereinander, entsteht nach und nach ein beliebiges Bauteil. Ein großer Vorteil von WAAM liegt in der hohen Auftragsrate und der Flexibilität hinsichtlich der Werkstoffauswahl. Die von SBI angebotenen -Systeme arbeiten im Besonderen mit einem Plasmalichtbogen zum Erzielen des Energieeintrages (siehe Schema WAAM).

Schematische Darstellung von WAAM mittels Plasmalichtbogen
Schematische Darstellung von WAAM mittels Plasmalichtbogen

Die mit dem WAAM-Prozess hergestellten Bauteile werden als „near-net shape“ bezeichnet was bedeutet, dass eine Nachbearbeitung durch Fräsen oder Drehen im Allgemeinen erforderlich ist. Die damit verbundene Arbeit ist jedoch um einiges günstiger als das Bauteil aus einem vollen Materialblock zu fertigen. Als verarbeitendes Material können alle schmelz-schweißbaren Metalle verwendet werden, wobei aufgrund des hohen Kostenreduktionspotentials vor allem Nickel-Basislegierungen, hoch legierte Stähle, Titanlegierungen sowie Aluminiumlegierungen von besonderem Interesse sind (siehe Aluminium & Titan Teil).

Durch den M3DP hergestellte Werkstücke, links AW5356, rechts Ti64
Durch den M3DP hergestellte Werkstücke, links AW5356, rechts Ti64

Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal bei Wire and Arc Additive Manufacturing sind die erzielbaren Bauteilgrößen in Verbindung mit einer hohen Auftragsrate (siehe Anwendungsbereich WAAM).

Einsatzbereich von Wire and Arc Additive Manufacturing
Einsatzbereich von Wire and Arc Additive Manufacturing

Die M3DP Serie von SBI wird in 3 verschiedenen Konfigurationen erhältlich sein.

  1. Als 4-achsige Anlage zur Fertigung von einfachen 3D Bauteilen mit einem Druckbereich von 2000x600x600mm (X-Y-Z)
  2. 8-achsig zur Fertigung von Rotationsbauteilen mit einem Druckbereich von Ø800x600mm (Ø-Z)
  3. 5-achsig zur Fertigung von spiegelsymmetrischen Bauteilen um die Substratebene mit einem Druckbereich von 2000x600x600mm (X-Y-Z)

Darüber hinaus kann auf spezifische Kundenwünsche eingegangen und bei Bedarf der 3D Drucker durch ein Scale-Up für noch größere Dimensionen angepasst werden.

Der Druckprozess wird zunächst mittels Slicer-Software erstellt. Dabei wird das CAD-File in Scheiben (=Lagen) entlang der Z-Koordinate zerschnitten und die Baustrategie als G-Code-File generiert. Der G-Code wird weiters in die WAAM-Anlage eingespielt und das Bauteil wird Lage für Lage aufgeschweißt (siehe Verfahrensablauf M3DP)

Zur Qualitätsüberwachung wird der gesamte Prozess videoüberwacht und mittels Zeitstempel mit allen wichtigen Prozessparametern wie etwa Lichtbogenstrom, Drahtgeschwindigkeit, Raumkoordinaten etc. verknüpft. Dadurch wird eine spätere Prozessanalyse und -optimierung ermöglicht. Zur Sicherstellung der gedruckten Bauteilgeometrie wird nach jeder Lage ein 3D-Scan durchgeführt, mit dem Sollwert abgeglichen und zur adaptiven Regelung des Prozesses herangezogen.

Arbeitsablauf beim Metal 3D Printer
Arbeitsablauf beim Metal 3D Printer

Der Arbeitsraum der M3DP-Anlage ist durch eine gasdichte Einhausung umgeben. Dadurch kann eine Schutzgasatmosphäre hergestellt werden um auch oxidationsgefährdete Materialien wie Titanlegierungen, Nickel-Basislegierungen sowie Stahllegierungen zu verarbeiten.

Wire and Arc Additive Manufacturing stellt vor allem im Bereich Luft- und Raumfahrt eine interessante Alternative zu konventionellen, subtraktiven Fertigungsprozessen dar. Weitere mögliche Einsatzgebiete sind Werkzeugbau, Automotive, Öl & Gas, Schiffbau und Maschinenbau.

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