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In Zusammenarbeit mit Xiris Automation, global agierender Spezialist für High-Dynamic-Range-Kameras, hat Pro-Beam die Xiris XVC-1000 Kamera erfolgreich für den Einsatz im Hochvakuum und in der aggressiven Umgebung eines Elektronenstrahlprozesses angepasst. Beide Unternehmen sind nun in der Lage, den Markt mit einer Bildgebungslösung mit hohem Dynamikbereich im Hochvakuum für das Elektronenstrahlschweißen im Allgemeinen und für WEBAM im Besonderen zu beliefern.
Die drahtbasierte additive Fertigung mit dem Elektronenstrahl (WEBAM: Wire Electron Beam Additive Manufacturing) gilt als eine der führenden Technologien für die additive Fertigung von Metallen und weist einen hohen Industrialisierungs- und Technologiereifegrad auf. WEBAM gehört zur Familie der DED-Verfahren (DED: Directed Energy Deposition), bei denen das zugeführte Material durch eine fokussierte Wärmequelle geschmolzen wird.
Das Verfahren hat im Vergleich zu den beiden anderen DED-Technologien (Laser und Lichtbogen/Plasma) einige Vorteile:
- Das WEBAM-Verfahren arbeitet im Hochvakuum, sodass Oxidation verhindert und eine hohe Reinheit der Bauteile erzielt wird.
- Zugleich kann der Elektronenstrahl, dank seines hohen Wirkungsgrads und seiner hohen Energiedichte, auch stark lichtreflektierende Materialien wie Kupfer oder Gold sowie Materialien mit hohen Schmelzpunkten und hoher Wärmeleitfähigkeit verarbeiten.
- Dabei kann die Energieverteilung durch die mögliche Anpassung des Energiemusters umfassend gesteuert werden.
Die Möglichkeit den DED-Prozess, einschließlich des Schmelzbad-Verhaltens, der Lage und das Schmelzen des Drahtes in Echtzeit, zu beobachten, ist ein großer Vorteil bei der Entwicklung von Prozessparametern. Gleichzeitig hilft es den Anwendern zum besseren Verständnis des Verfahrens. Darüber hinaus ist eine klare Abbildung des Prozesses erforderlich, um diesen adaptiv zu steuern. Ein hervorragendes Werkzeug für die Beobachtung des DED-Prozesses ist eine HDR-Kamera (High Dynamic Range) mit ihrer Fähigkeit, eine breite Helligkeitsverteilung aufzulösen.
HDR-Kameras in WEBAM-Prozessen – Schwierigkeiten
Die Einführung einer HDR-Kamera in eine WEBAM-Kammer birgt jedoch einige Herausforderungen. Dazu zählt, dass die Umgebung – mit rückgestreuten Elektronen, Röntgenstrahlen und hohen Temperaturen – aggressiv ist und die Kamera beschädigen kann. Zusätzlich verhindert das Hochvakuum den Einsatz der herkömmlichen Konvektionskühlung, was wiederum zu einer Überhitzung der Kamera führen kann. Abschließend kann die Bildaufnahme durch die Kondensation von Metalldampf auf dem Kameraobjektiv behindert werden.
Pro-Beam, eines der international führenden Unternehmen im Bereich der Elektronenstrahltechnologie, bietet seinen Kunden mit der Anlage PB WEBAM die Möglichkeit zur flexiblen Fertigung von industriellen Metallbauteilen. In Zusammenarbeit mit Xiris Automation, Spezialist für HDR-Kameras, hat das Unternehmen die Xiris XVC-1000 Kamera erfolgreich für den Einsatz im Hochvakuum und in der aggressiven Umgebung eines Elektronenstrahlprozesses angepasst. Es wurden besondere Maßnahmen ergriffen, um die empfindliche Elektronik der XVC-1000 vor schädlicher Strahlung zu schützen und eine Überhitzung zu verhindern. Außerdem wurde eine spezielle Vorrichtung installiert, die das Kameraobjektiv mindestens acht Stunden lang von den Metalldämpfen freihält.
Betrachtung des Prozesses
Mit den von der XVC-1000-Kamera gelieferten Echtzeitbildern ist es möglich, die Prozessparameter im laufenden Betrieb anzupassen. So kann sichergestellt werden, dass sich eine kontinuierliche Flüssigmetallbrücke zwischen Draht und Schmelzbad bildet. Daneben können Videos auch zur Fehlersuche und Qualitätskontrolle herangezogen werden.
Bild: Pro-Beam
Abbildung 4 a zeigt ein Beispiel, das einen kontinuierlichen Prozess mit guten Prozessparametern zeigt. Das Schmelzbad weist keine Turbulenzen auf, und der Draht verwandelt sich kontinuierlich in eine Flüssigmetallbrücke, die in das Schmelzbad fließt. Während des Prozesses kann der Bediener Abweichungen von diesem gleichmäßigen Abscheidungsverhalten sofort erkennen, was ein deutlicher Hinweis auf fehlerhafte Prozessparameter wäre.
Bild: Pro-Beam
Ein Beispiel für fehlerhafte Prozessparameter ist in Abbildung 4 b zu sehen. Hier erscheint das Schmelzbad sehr turbulent, was dazu führt, dass Metall-Tröpfchen vor dem Prozess entstehen. Mit einer entsprechenden Korrektur der Strahlleistung, der Energieverteilung und des Abstands zwischen Drahtdüse und Schmelzbad lässt sich dieses turbulente Verhalten verhindern. Ohne die von der XVC-1000-Kamera gelieferten Echtzeitbilder wäre es sehr viel schwieriger, dieses fehlerhafte Verhalten zu erkennen und zu korrigieren.
Technische Daten PB WEBAM 100
Das Pro-Beam-WEBAM-System bietet dem Anwender die Flexibilität, große Bauteile aus verschiedenen Hochleistungsmetallen materialsparend herzustellen. Der 5-Achs-Manipulator und die lineare Generatorverschiebung der PB WEBAM 100 ermöglichen eine maximale Baugröße von 1,4 m x 1,3 m x 1,1 m. Die Größe der Anlage ist jedoch individuell anpassbar, um die spezifischen Bauteilanforderungen des Kunden zu erfüllen. Der Elektronenstrahlgenerator hat eine maximale Strahlleistung von 10 kW. Abhängig von den Anforderungen und der Größe des zu fertigenden Bauteils kann das Ausgangsmaterial von 12‘‘-Spulen, 24‘‘-Spulen oder einem Fass stammen. Es können Drahtdurchmesser zwischen 0,8 mm und 1,6 mm mit einer maximalen Drahtvorschubgeschwindigkeit von 10 m/min verwendet werden.
Technische Daten Xiris XVC-1000
Die Xiris XVC-1000 Kamera hat einen hohen Dynamikbereich (HDR) von 140+dB und verwendet einen Gigabyte-Ethernet-Ausgang. Sie liefert Bilder mit einer Auflösung von 1.280 Spalten mal 1.024 Zeilen bei bis zu 55 Bildern pro Sekunde. Durch ihre kompakte Größe und ihr geringes Gewicht ist sie eine ideale Lösung für viele Bildgebungsanforderungen. Xiris Automation ist der weltweit führende Anbieter von HDR-Kameras und beliefert seit mehr als 15 Jahren Hersteller und OEMs in der Schweiß- und AM-Industrie. (eve)
