Grade2XL, der nächste Schritt mit Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Neben der Möglichkeit, mit der WAAM-Technologie große Werkstücke lokal zu produzieren, ist auch der Multi-Materialdruck ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal. WAAM ist nicht auf ein Material beschränkt, sondern kann Werkstücke aus mehreren Materialien aufbauen. Der Materialmix kann für einige Anwendungen sehr interessant sein. Es bietet die Möglichkeit ein großes Produkt zu fertigen, bei dem nur die Hülle aus einem teureren, korrosions- oder verschleißfesten Material und der Kern aus einem günstigeren Material besteht. Um zu untersuchen, was man mit all diesen Möglichkeiten auf einer größeren Ebene machen könnte, wird WAAM jetzt zusammen mit 20 Partnern (einschließlich Valk Welding) aus ganz Europa das Projekt Grade2XL weiterentwickelt. Mit finanzieller Unterstützung der EU wird WAAM in den nächsten 4 Jahren als wirtschaftlich tragfähige und nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Technologien weiterentwickelt. Hier liegt der Vorsprung klar in der Technik.

Für das Grade2XL-Projekt wird nun der 3D-Druck-Container von Autodesk bei Valk Welding aufgestellt. Mit 2 Schweißrobotern in einer Anlage werden dort Multi-Materialteile mit neuen Anwendungen wie Kühlkanälen gedruckt. Ein kryogenes Kühl- und Wärmemanagementsystem von Air Products wird ebenfalls zum Einsatz kommen. Dies wird es ermöglichen, die Abscheidungsrate für den Druck weiter zu erhöhen, die Stillstandszeiten für die Abkühlung zu reduzieren, eine inerte Atmosphäre im Arbeitsbereich zu schaffen und somit die Produktivität und Produktqualität erheblich zu steigern, während gleichzeitig ideale thermische Bedingungen aufrechterhalten werden.

Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 862017 gefördert.

Einzigartige Zusammenarbeit zwischen RAMLAB und Valk Welding

RAMLAB ist das erste europäische Fieldlab, das nachweislich sperrige Teile für industrielle Anwendungen mit der WAAM-Technologie gedruckt hat. Das bekannteste Beispiel ist der zertifizierte Propeller des Schleppers Damen. Die ersten Tests von RAMLAB für Vallourec führten zu dem Auftrag an Valk Welding, die 3D-Druckzelle zu bauen.
Der Geschäftsführer von RAMLAB, Vincent Wegener: "Unser Produkt, MaxQ, besteht aus einer Sensorik und einem Softwaremodul, das wir entwickelt haben, um maximale Qualität zu garantieren und so ein zertifiziertes Druckteil zu erhalten. Die fortschrittliche Monitor- und Steuerungssoftware überwacht die Prozessparameter in Echtzeit. Darüber hinaus wird der Workflow der CAD-Dateien von Autodesk PowerMill zu einem Programm für den Panasonic-Schweißroboter jetzt per Knopfdruck gesteuert. Das MaxQ-System ist vollständig in die Zelle von Valk Welding integriert. Genau in dieser Zusammenarbeit liegt unsere Stärke und das macht uns einzigartig in Europa".

Superaktiver Draht

Valk Welding hat eine Zelle mit 2 Arbeitsstationen gebaut, eine mit einem festen Siegmund-Tisch und eine zweite mit einem Fünf-Achsen-Manipulator. Beide Arbeitsstationen sind für Werkstücke mit einer Höhe von bis zu 2 m, einem ø von 800 mm und einem Produktgewicht von 500 kg ausgestattet.
Darüber hinaus bestand die Herausforderung für Valk Welding darin, die Auftragrate zu erhöhen, ohne das Risiko, das Material zu beschädigen. Deshalb wurde ein Panasonic-Schweißbrenner mit integriertem Servomotor eingesetzt, der auch das Super Active Wire-Verfahren unterstützt.
Beim SAW-Verfahren (Super Active Wire) bewegt sich der Schweißdraht in hoher Frequenz Auf- und Ab, so dass bei begrenztem Wärmeeintrag mehr Material pro Stunde abgeschmolzen werden kann.

Konzeptnachweis

Jonathan Moulin von Vallourec: "Der Vorteil der WAAM-Technologie ist, dass man nur einen Standarddraht als Basismaterial benötigt und keine Werkzeuge wie bei einem Bearbeitungsprozess. Außerdem haben wir die gängigsten Bauteile für den 3D-Druck gespeichert und in einem digitalen Lager erfasst, aus dem alle Produktionsstandorte weltweit die gewünschten Dateien herunterladen können.
Für uns besteht die größte Herausforderung jetzt darin, unsere Kunden in der Öl- und Gasindustrie davon zu überzeugen, dass wir die gewünschte Qualität liefern können. Der Kunde will nur ein zertifiziertes Produkt, egal ob es gedruckt oder gechipt ist. Die 3D-gedruckten Komponenten erfüllen die höchsten Qualitätsstandards in der Offshore-Industrie. Den Kunden davon zu überzeugen, wird ein langer Weg sein. Dazu braucht es Early Adopters – erste kreative Denker, die an dieser Innovation teilhaben wollen".

Die WAAM-Prozessparameteroptimierung (Wire Arc Additive Manufacturing), die vor der Herstellung eines Teils durchgeführt wird, ermöglicht die Anpassung der Materialeigenschaften. In Kombination mit dem Super Active Wire Process (SAWP) von Panasonic wurden ein stabiler Lichtbogen und minimale Spritzer erreicht. Eine Schweißkabine und zusätzliches schützendes Argon sorgten für eine inerte Umgebung mit geringem Verschmutzungsgrad.

Nach der Optimierung der Prozessparameter wurde der Druck physikalisch hochskaliert, indem Mock-Ups zur Strategieuntersuchung gedruckt wurden (Abbildung 1). Die experimentelle Phase endete mit der Herstellung eines massiven Blocks (oder "Pre-Build") für Zugtests in den x-y-z-Richtungen. Vor der mechanischen Prüfung wurde der Pre-Build einer Lösungsmittelbehandlung und Alterung unterzogen.

Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der mechanischen Prüfung des Vorbauteils. Bei den Dehnungsergebnissen ist ein typisches anisotropes Verhalten zu erkennen. Dies kann durch das durch die Wärmequelle induzierte bevorzugte Kornwachstum verursacht werden. Das Gesamtergebnis zeigt, dass das WAAM-Material vergleichbare mechanische Eigenschaften mit dem 3Dprint AM Ti-5-Draht-Feedstock aufweist.

Im Anschluss an die mechanischen Tests wurde das endkonturnahe CAD-Modell durch ein Re-Design des ursprünglichen Bauteils erzeugt. Während dieses Vorgangs wurde zusätzliches Material hinzugefügt, um die Bearbeitung des endgültigen Net-Shape-Designs zu ermöglichen.

Abbildung 3 zeigt das resultierende Bauteil. Interessant ist die Abwesenheit von Verfärbungen auf dem gesamten Teil, ein Zeichen für eine kontaminationsfreie Umgebung. Während des Drucks wurden die Prozessparameter mithilfe unseres MaxQ-Überwachungs- und Steuerungssystems (Abbildung 4) zur weiteren Datenanalyse aufgezeichnet. Das Teil wurde schließlich zur Endbearbeitung an das Net-Shape-Design geschickt. Im Vergleich zur Gewinnung des Bauteils aus einem geschmiedeten Block sparte RAMLAB 50 % Material ein und mit weiteren Verbesserungen ist es möglich, eine Reduzierung von 70 % zu erreichen.

Mit diesem Projekt hat RAMLAB das Potenzial des GMAW-WAAM-Systems beim Drucken von Ti6AL4V-Metallteilen gezeigt. Wir arbeiten mit mehreren Institutionen zusammen, um dieses Thema weiter zu erforschen. Wir haben einen kleinen, aber wichtigen Durchbruch beim GMAW-WAAM von Ti6AL4V-Teilen erzielt und sind damit für unsere Kunden einen Schritt näher gekommen, Ti6AL4V-Teile zu drucken.

Besonderen Dank an unsere Partner: Hittech, AirProducts, Valk Welding, Autodesk, Cavitar, Element, TWI, Voestalpine Böhler Welding und der AMable Initiative.

Wenn Sie mehr über das Wire Arc Additive Manufacturing von Titanbauteilen erfahren möchten, nehmen Sie Kontakt auf.

www.ramlab.com

Abbildung 3. Nach dem Fräsen der Hälfte des Teils