Schicht für Schicht Metallteile wirtschaftlicher herstellen Wire Arc Additive Manufacturing

Die additive Fertigung ist unter dem Begriff 3D-Druck in aller Munde. Immer mehr Bauteile und Waren lassen sich damit schnell und preisgünstig herstellen – auch aus Metall, wie beim sogenannten Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Das Lichtbogenverfahren bietet für zahlreiche Anwendungen deutliche Zeit- und Kostenvorteile. Besonders geeignet dafür: der „kalte“ Fronius-Schweissprozess CMT.

Additive Fertigungsverfahren lassen Bauteile quasi aus dem Nichts entstehen, indem sie ein flüssiges oder pulverförmiges Material schichtweise auf einer Grundplatte ablagern. Bei WAAM geschieht das mithilfe einer abschmelzenden Drahtelektrode – der Prozess basiert auf dem Lichtbogenschweissen. Generative Fertigungstechniken eignen sich besonders, um komplexe Bauteilgeometrien herzustellen. Ausserdem können Teile in sehr kurzer Zeit wirtschaftlich gefertigt werden – damit ist WAAM für den Prototypenbau und für Kleinstserien eine interessante Option. Im Vergleich zum Herausfräsen eines Werkstücks aus einem massiven Block sind Bearbeitungszeit, Werkzeugverschleiss und Materialverlust deutlich geringer.

„KALTER“ SCHWEISSPROZESS FÜR OPTIMALE ERGEBNISSE

Für die Bauteilfertigung mit WAAM sind die Stabilität des verwendeten Schweissprozesses und die Wärmeableitung entscheidend. Der Schweissprozess muss so energiearm wie möglich sein, damit die unteren Schichten nicht erneut aufschmelzen. Ausserdem muss die geschweisste Lage durchgängig, spritzerfrei und gleichmässig sein. Käme es zu einem Fehler, würde sich dieser in den Lagen darüber fortsetzen. Diese Voraussetzungen erfüllt der „kalte“ Schweissprozess Cold Metal Transfer (CMT) von Fronius.

Zwei Prozessregelvarianten von CMT eignen sich besonders gut. Dies ist zum einen die für WAAM optimierte Prozess-Charakteristik CMT additive. Sie erzielt gute Abschmelzleistungen und bringt noch weniger Wärme ins Bauteil ein. Die Variante CMT Cycle Step reduziert die Lichtbogenleistung nochmals durch gezieltes Abschalten in der Prozessphase. Der Prozess benötigt jedoch mehr Zeit für den Aufbau der einzelnen Schichten, da die Abschmelzrate geringer ist.

 

Was ist WAAM?

Drahtbasierte generative Fertigungsprozesse – wozu auch WAAM gehört – schmelzen mit einem Laser, Elektronenstrahl oder Lichtbogen einen drahtförmigen Zusatzwerkstoff ab und bauen daraus das Bauteil auf. Diese Verfahren sind in der Regel deutlich schneller als pulverbasierte Prozesse: Bei WAAM liegt die Abschmelzleistung bei Stahlwerkstoffen bei bis zu vier Kilogramm pro Stunde. Mehrdrahtlösungen könnten das in Zukunft noch weiter steigern.

Ein weiterer Vorteil für den Anwender: WAAM setzt lediglich ein geeignetes Schweisssystem voraus. Teure Spezial-Anlagen sind nicht nötig. Darüber hinaus sind für das Lichtbogenverfahren zahlreiche bereits zertifizierte Drähte verfügbar. Bei pulverbasierten Verfahren ist die Materialauswahl noch gering, da entsprechende Zertifizierungen und die Erstellung von Datenblättern oft Jahre dauern und die Nutzung von Metallpulver noch relativ neu ist.

WAAM-ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS

Ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz von WAAM sind Lüfterräder, die in der Elektroindustrie eingesetzt werden. Diese bestehen aus hochwertigen Materialien. Das Werkstück zu fräsen ist wegen des hohen Materialverbrauchs kostspielig. Giessen wiederum ist wegen der dünnen Wandstärken von etwa 1,5 Millimetern meist kritisch. Mit WAAM auf Basis von CMT Cycle Step können solche Lüfterradschaufeln aus Nickelbasis-Legierungen additiv erzeugt und auch repariert werden.

Eine weitere Anwendung ist die Herstellung von Titanbauteilen in der Flugzeugindustrie. Diese werden sonst meist als Frästeile gefertigt – dabei gehen bis zu 90 Prozent des Materials verloren. Das verursacht hohe Kosten, lange Bearbeitungszeiten und teuren Werkzeugverschleiss. Bauteile, die mit WAAM hergestellt werden, müssen hingegen nur noch nachbearbeitet werden, um glatte Oberflächen zu erhalten. Die mit CMT additive gefertigten Teilweisen keine Bindefehler auf, und auch die metallurgischen Eigenschaften überzeugen. So lassen sich Bearbeitungszeit, Verschleiss und Herstellungskosten gleichermassen reduzieren.