Fertigung von Großteilen: Weltgrößtes Pulverbettschmelzsystem erhöht Bauvolumen um das 26fache

Additive Fertigungsverfahren wie das Pulverbettschmelzen werden in der Metallverarbeitung aufgrund ihres geringen Materialverbrauchs und ihrer Flexibilität immer beliebter. Allerdings sind Verfahren wie PBF oft noch auf die industrielle Fertigung beschränkt, insbesondere im Hinblick auf die Bauteilgröße, was die Bandbreite der möglichen Teile einschränkt.

Darüber hinaus hängt die Qualität der Produktion vom verwendeten Pulver ab und kann beispielsweise die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verschlechtern und damit die Ausbeute verringern. Je nach Anlagenkonzeption kann das Verfahren auch sehr energie- und zeitaufwendig sein, so dass in bestimmten Situationen konventionelle Fertigungsverfahren vorteilhafter sind.

Um diese Nachteile zu beseitigen, setzt ALD Vacuum Technologies sein langjähriges Know-how ein, um verschiedene Techniken in Anlagenkonzepte umzusetzen, die auf eine Serienproduktion mit hoher Flexibilität, tiefgreifender Prozesskontrolle und optimiertem Ressourcenmanagement ausgerichtet sind. Das Ergebnis ist der so genannte EBuild: ein völlig neuartiges Anlagendesign für das Elektronenstrahl-Pulverbett-Verfahren (E-PBF). Es ist die erste Anlage auf dem Markt, die sowohl für Großteile als auch für die Großserienproduktion geeignet ist.

“Anstatt Material durch herkömmliche Verfahren wie Fräsen abzutragen, werden die gewünschten Teile schichtweise durch Schmelzen und Verschmelzen von Metallpulver mithilfe einer starken Wärmequelle wie einem Laser oder Elektronenstrahl geformt”, erklärt Dr. Fuad Osmanlic, Vice President Additive Manufacturing bei ALD. “Dies ermöglicht im Allgemeinen eine bessere Kontrolle der Ressourcen und führt zu weniger Materialabfall und geringerem Energieverbrauch.”

Ein spezielles Pulverauftragssystem, hocheffiziente Elektronenstrahltechnologie und wärmeabweisende Werkstoffe ermöglichen unter anderem eine Effizienzsteigerung der Endprodukte, wie z.B. Turbinen, bei gleichzeitig deutlich reduziertem Materialverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren. Darüber hinaus ist das System komplett vakuumdicht ausgelegt und ermöglicht die additive Fertigung von Metallteilen im Vakuum oder unter kontrollierter Schutzgasatmosphäre. Die Synergie zwischen den einzelnen Systemkomponenten und einem intelligenten Steuerungssystem führt zu einer Kostenreduzierung und einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck in der Produktion und im Produktlebenszyklus.

26-faches Bauvolumen im Vergleich zum Marktführer bei E-PBF

In seiner Grundkonfiguration ist das EBuild 850 System darauf ausgelegt, Metallteile mit Abmessungen von bis zu 850*850*1.000 mm³ aus Metallpulver durch schichtweises selektives Elektronenstrahlschmelzen und anschließendes Erstarren herzustellen. Zu den Hauptkomponenten des Systems gehören eine Elektronenstrahlkanone, eine ausfahrbare Baukammer, eine Prozesskammer, die mit einem fortschrittlichen Pulverauftragssystem verbunden ist, sowie mobile Entnahme- und Absaugeinheiten. Eine zweite Baukammer kann diesen Aufbau ergänzen, um die Schmelz- und Abkühlprozesse in einer Kammer durchzuführen, während die Teile und das Pulver aus der zweiten Kammer entnommen und für den nächsten Bau vorbereitet werden.

“Um die Beschränkungen bei der Bauteilgröße zu überwinden, haben wir bewusst darauf hingearbeitet, das Kammerdesign auf ein Vielfaches der üblichen Abmessungen zu erweitern, ohne die Prozessqualität zu beeinträchtigen”, erklärt Dr. Osmanlic.

So kann die hochpräzise Entnahmeeinheit ein bis zu 15 t schweres Pulverbett mit einer Genauigkeit von ca. 0,01 mm und einer Gesamtbauhöhe von ca. 1.000 mm positionieren.

Um das Basismaterial aufzutragen, füllt das Pulverauftragssystem, das auch Pulver mit geringer Fließfähigkeit verarbeiten kann, den Bauraum durch eine gleichmäßige Pulververteilung. Dazu wird die Förderplattform exakt um die vom Bediener definierte Höhe angehoben. Dadurch wird sichergestellt, dass das dem Rechen zugeführte Pulver immer konstant bleibt. Um zu verhindern, dass die hohen Prozesstemperaturen beim Schmelzen die Pulververteilung beeinträchtigen, ist das Auftragssystem wassergekühlt.

“Es war uns wichtig, dass unser Pulverapplikationssystem auch Pulver mit geringer Fließfähigkeit verarbeiten kann, um die Pulverausbeute zu erhöhen, was sowohl Ressourcen spart als auch den Preis pro Kilogramm senkt”, fügt Dr. Osmanlic hinzu.

Während der Rechen Schicht für Schicht neues Material zuführt, schmilzt der Elektronenstrahl das Pulver selektiv in Ausrichtung auf die definierten Bauteilkonturen auf, bis das Teil fertig ist und zur Abkühlung an die Absauganlage übergeben werden kann. Alle Kammerwände und Bauteile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, sind mit Hitzeschilden ausgestattet, um den Energieverbrauch während des Schmelzens gering zu halten und Wärmeverluste zu vermeiden. Darüber hinaus wurden alle Ventile, die Pulver und Metallstaub ausgesetzt sind, mit speziellen Schutzvorrichtungen ausgestattet, um eine zuverlässige Funktion unter diesen schwierigen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

“Diese Art von Ventilen hat sich seit vielen Jahren in ähnlichen Anwendungen unter Produktionsbedingungen bewährt”, ergänzt Dr. Osmanlic.

Digitaler Zwilling mit Rückstreuelektronenbildgebung

Um den Anforderungen der industriellen Serienfertigung gerecht zu werden, verfügt das System über einen hohen Automatisierungsgrad. Hinzu kommen modernste Prozessüberwachung, Regelkreise, Datenprotokollierung, Statusanzeige, Fehler- und Alarmmeldung sowie Sicherheitsverriegelungen, die einen sicheren und effizienten Betrieb gewährleisten. Hervorzuheben ist das Backscattered-Electron-Imaging: Es bietet die Möglichkeit der automatischen Fehlererkennung durch kontrastreiche Schichtdarstellung sowie die Erstellung eines digitalen Zwillings als 3D-Modell. Die gesamte Prozessvorbereitung, Steuerung und Überwachung kann über einen PC oder die eingebaute Schnittstelle erfolgen. Dabei werden alle relevanten Funktionen visualisiert und das gesamte Bedienkonzept ist selbsterklärend und einfach zu bedienen. Darüber hinaus ermöglichen mehrere im Bedienbereich installierte lokale Bedienpanels die lokale Ausführung spezifischer Anlagenfunktionen.

“Auch bei einem hohen Automatisierungsgrad legen wir Wert auf betriebliche Flexibilität und Kontrolle, wo es nötig ist”, erklärt Dr. Osmanlic.

Da der Einsatz von AM in der Metallverarbeitung aufgrund fehlender Erfahrung mit den entsprechenden Technologien eine riskante Entscheidung sein kann, versteht ALD das EBuild 850-Konzept als Joint Venture. In enger Abstimmung mit dem Käufer wird das Anlagendesign projektiert und auf die Anforderungen vor Ort zugeschnitten, so dass der Anwender ein schlüsselfertiges System inklusive Prozess- und Produktionsunterstützung erhält.

“Die Umstellung auf neue Technologien in der Produktion kann entmutigend und überwältigend sein, ohne dass das volle Potenzial ausgeschöpft wird. Deshalb ist die EBuild 850 keine Anlage von der Stange, sondern speziell darauf zugeschnitten, die größere Gestaltungsfreiheit voll auszuschöpfen und das zu produzieren, was gebraucht wird, wenn es gebraucht wird – ohne Angst vor explodierenden Energiekosten und hohem Materialabfall”, fasst Dr. Osmanlic zusammen.

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