Präzision durch gebündelte Energie

Die Besonderheit des Verfahrens ist die hohe Leistungsdichte des Elek-tronenstrahls, die bis zu 10⁸ W/cm² erreicht. Der Strahl erzeugt eine Dampfkapillare, die von einem schmelzflüssigen Mantel umgeben ist. Diese Dampfkapillare ermöglicht tiefe, präzise Bohrungen – auch in schwer zu bearbeitenden Werkstoffen wie Titan, Nickelbasislegierungen oder anderen thermisch hochbelastbaren Materialien. Das entstandene Loch ist leicht konisch, was insbesondere für Filter ein entscheidender Vorteil ist, da ein Verstopfen des Filters hierdurch verhindert wird.

Effizienz hat einen Namen: „Fliegendes Bohren“

Eine herausragende Innovation von SST ist die Möglichkeit des „Fliegenden Bohrens“. Hier wird der Elektronenstrahl synchron zur Werkstückbewegung geführt, während der Strahl zwischen den Bohrungen kurz ausgeschaltet wird, um die nächste Position anzusteuern. Dieses Verfahren ermöglicht außergewöhnlich hohe Bohrfrequenzen und übertrifft andere Technologien wie Laserstrahl, EDM oder ECM in Geschwindigkeit und Effizienz. Das Bohren bzw. Perforieren mit dem Elektronenstrahl ist ein Hochgeschwindigkeitsprozess, der Bohrfrequenzen von bis zu 3.000 Löchern pro Sekunde ermöglicht. Dabei können Bleche mit einer Dicke von bis zu 7 mm bearbeitet werden, wobei Lochgrößen zwischen 30 µm und 1,2 mm möglich sind.

Gleichbleibende Qualität und Reproduzierbarkeit für vielfältige Anwendungen

Die Steuerung des Elektronenstrahls erfolgt rein elektromagnetisch, wodurch alle Parameter präzise gespeichert und jederzeit reproduzierbar sind. Dies garantiert gleichbleibend hohe Qualität in der Serienfertigung – ein entscheidender Vorteil gegenüber mechanischen Bearbeitungsverfahren. Diese Merkmale machen das Elektronenstrahlbohren zur ersten Wahl für Anwendungen, die höchste Anforderungen an Qualität und Oberflächenbeschaffenheit stellen. So etwa in der Filterherstellung, Recyclingindustrie, Papierproduktion, der Lebensmittelindustrie oder Bauindustrie, wo sie unter anderem zur Herstellung von Dämmmaterial dient. 

Fazit: Elektronenstrahl-Technologie von SST als Zukunftslösung

Mit Lösungen wie dem „Fliegenden Bohren“ und der präzisen Steuerung des Elektronenstrahls setzt Steigerwald Strahltechnik neue Maßstäbe in der Mikrobohrtechnologie.

Durch ihre Vielseitigkeit in Bezug auf Werkstoffe und Anwendungsgebiete ist die Technologie von SST ein unverzichtbares Werkzeug für viele Branchen. Die Kombination aus Präzision, Effizienz und Innovation macht SST zu einem weltweit führenden Anbieter für Elektronenstrahltechnologie – und zu einem wichtigen Partner für die Fertigung der Zukunft.

Das Elektronenstrahlschweißen gilt als unverzichtbare Technologie, wenn höchste Präzision und Effizienz gefragt sind – sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der industriellen Fertigung. Die genaue Steuerung des Elektronenstrahls erlaubt es, äußerst präzise Schweißnähte zu erzeugen. Besonders bei filigranen Bauteilen und dünnen Materialien ermöglicht das Verfahren eine exakte Schweißnahtführung, die nur minimalen Wärmeeintrag in das Material verursacht und somit Verformungen reduziert. Diese Präzision ist für Branchen mit hohen Qualitätsanforderungen unerlässlich. Steigerwald Strahltechnik (SST) ist mit seinen innovativen Elektronenstrahlanlagen führend in diesem Bereich und entwickelt maßgeschneiderte Lösungen für anspruchsvolle Anwendungen.

Elektronenstrahlschweißen in der Grundlagenforschung – Einsatz am CERN und beim TWI in Cambridge

SST setzt seit vielen Jahren auf enge Kooperationen mit führenden Forschungszentren und Universitäten, darunter das Forschungszentrum Jülich und das Institut für Schweiß- und Fügetechnik an der RWTH Aachen. Besonders hervorgehoben wird die Zusammenarbeit mit der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), dem weltweit größten Zentrum für physikalische Grundlagenforschung.

Am CERN werden Hohlraumresonatoren (Kavitäten) aus Niob und Kupfer hergestellt, die im Large Hadron Collider (LHC) für die Beschleunigung von Teilchen und damit zur Erforschung der „Bausteine der Welt“ benötigt werden.

Für diese Kavitäten, deren Herstellung extrem präzise Schweißverbindungen erfordert, entwickelte SST ein spezielles Elektronenstrahlschweißverfahren. Mit einem 90°-Ablenksystem (EBOBend) kann die Kavität von innen nach außen geschweißt werden. Durch diese Technik entstehen extrem glatte Oberflächen, wodurch die Kavität wesentlich präziser arbeiten kann als das bislang der Fall war.

Nicht nur das CERN, sondern auch das TWI in Cambridge nutzt das 90°-Ablenksystem von SST. Das TWI ist eine international führende Forschungs- und Technologieorganisation im Vereinigten Königreich und zeigt mit diesem Elektronenstrahlschweißverfahren neue industrielle Lösungen auf. 

Die Herstellung von Bipolarplatten am Fraunhofer IWU

Beim Fraunhofer IWU revolutioniert das Elektronenstrahlschweißen die Fertigung von Bipolarplatten. Diese speziellen Platten sind zentrale Bauteile in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen und damit ein wesentlicher Baustein hin zur CO₂-neutralen wasserstoffbasierten Umstellung der Energiewirtschaft.

Die dortige Elektronenstrahlmaschine von SST hat somit einen bedeutenden Anteil an der Förderung der Wasserstofftechnologie, die für eine nachhaltige und umweltfreundliche Energiezukunft entscheidend ist. Im Rahmen der Referenzfabrik.H2 des Fraunhofer IWU wird die Technologie weiterentwickelt, um ab 2025 in die Kleinserienfertigung zu gehen und die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen zu ermöglichen.

Ausblick

Das Elektronenstrahlschweißen zeigt weiterhin großes Potenzial, ob in der Grundlagenforschung oder in der Produktion.

Angesichts des Trends zur Digitalisierung und Automatisierung können durch den Einsatz von KI-gestützter Prozessüberwachung im Elektronenstrahlschweißen zukünftig weitere Effizienzgewinne und Qualitätssteigerungen erzielt werden.

Insgesamt beweist das Elektronenstrahlschweißen, dass es als Sonderschweißverfahren nicht nur in der Lage ist, höchsten Anforderungen gerecht zu werden, sondern auch die Zukunft der Fertigungstechnik aktiv mitzugestalten.

Weitere Informationen erhalten sie unter www.sst-ebeam.com

Die Steigerwald Strahltechnik GmbH mit Sitz in Maisach, Deutschland ist der weltweit führende Spezialmaschinenhersteller von Elektronenstrahlanlagen. Die Einsatzbereiche der auf die Kunden zugeschnittenen Anlagen sind das Schweißen, das Bohren, die Oberflächenbehandlung (z.B. Härten) und die additive Fertigung. Das renommierte Unternehmen entwickelt in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) eine spezialisierte Anlage, die die Herstellung von Bipolarplatten revolutioniert. Diese speziellen Platten sind ein wesentlicher Bestandteil von Elektrolyseuren, die zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse verwendet werden. Wasserstoff ist ein zentrales Element für die Energiewende und spielt eine entscheidende Rolle in der Entwicklung nachhaltiger und umweltfreundlicher Technologien.

Vorteile des Elektronenstrahlschweißens vs. Laser

Das Elektronenstrahlschweißen bietet gegenüber dem herkömmlichen Laserstrahlscannerschweißen zahlreiche Vorteile, die sowohl die Effizienz als auch die Qualität der Schweißverbindungen erheblich verbessern. Während beim Laserstrahlschweißen gebündeltes Licht durch einen Spiegel entlang der Fügestellen geführt wird, nutzen die Forscher des IWU beim Elektronenstrahlschweißen negativ geladene Teilchen, die mit nahezu zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit auf die Werkstücke treffen. Diese Methode erfordert keine träge Lenkungsmechanik, wodurch der Elektronenstrahl quasi verzögerungsfrei geführt werden kann und die Schweißgeschwindigkeit signifikant erhöht wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorzug ist die Flexibilität des Elektronenstrahlschweißens. Dank der EBO Jump Technik, der schnellen Ablenkung des Strahls, können mehrere Prozesszonen gleichzeitig bearbeitet werden, was bei herkömmlichen Schweißverfahren in dieser Art nicht möglich ist. Diese Mehrbadtechnik erlaubt es z. B., Vor- und Nachwärmprozesse nahezu gleichzeitig durchzuführen, was die Gesamteffizienz des Verfahrens weiter steigert.

Höchste Qualität durch Vakuumbedingungen

Das Elektronenstrahlschweißen findet unter Vakuumbedingungen statt, was konstante und störungsfreie Bedingungen gewährleistet. Dies ist besonders wichtig, da selbst kleinste Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht zu Undichtigkeiten führen können. Durch das Arbeiten im Vakuum werden äußere Einflussfaktoren wie Luftdruck- oder Luftfeuchtigkeitsschwankungen ausgeschlossen, was die höchstmögliche Schweißnahtqualität garantiert. Projektleiter Patrick Urbanek betont: „Mit der Vakuumtechnik können wir äußere Einflussfaktoren ausschließen und die aus heutiger Sicht höchstmögliche Schweißnahtqualität erzielen.“

Bedeutung für die Wasserstofftechnik und Nachhaltigkeit

Die neue Elektronenstrahlanlage von Steigerwald ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigen Zukunft. Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für die Energiewende, da er eine saubere und effiziente Alternative zu fossilen Brennstoffen darstellt. Durch die Verbesserung der Herstellungsverfahren von Elektrolyseuren können die Produktionskosten gesenkt und die Effizienz gesteigert werden, was die Verbreitung von Wasserstofftechnologien fördert.

Das Chemnitzer Forscherteam des Fraunhofer IWU konzentriert sich im Jahr 2024 auf die Weiterentwicklung dieser Technologie, um deren Reife für die Kleinserienfertigung bis 2025 zu erreichen. Die neue Anlage ist ein integraler Bestandteil der Referenzfabrik.H2, die auf den Forschungs- und Entwicklungsprojekten des Fraunhofer IWU und weiterer Fraunhofer-Institute basiert. Ziel ist es, die Grundlagen für die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen zu schaffen, um eine nachhaltige und umweltfreundliche Energieversorgung zu gewährleisten.

Steigerwald Strahltechnik leistet mit dieser innovativen Lösung einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung fortschrittlicher und umweltfreundlicher Technologien und unterstützt die Vision einer nachhaltigen Zukunft.

Weitere Informationen finden Sie unter:
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Steigerwald Strahltechnik GmbH
Emmy-Noether-Straße 2
DE – 82216 Maisach
info@sst-ebeam.com
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Fügeprozesse verbrauchen wesentliche Energie- und Ressourcenanteile.  Wobei selbst bei identischen Schweißergebnissen die Energieeffizienz des gesamten Prozesses der einzelnen Schweißverfahren sehr unterschiedlich sein kann. Intelligente Schweißverfahren haben einen wesentlichen Einfluss auf den Einsatz von Energien, Materialien und Man-power. Das liegt daran, dass das jeweilige Verfahren die vor- und nachgeschalteten Fertigungsschritte direkt beeinflusst oder bestenfalls eliminieren kann.

Die wichtigsten Schmelzschweißverfahren, die industriell zum Einsatz kommen, sind das Gasschmelzschweißen (auch Autogenschweißen genannt), Lichtbogenhandschweißen, Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), Metallschutzgasschweißen, Unterpulverschweißen, Plasmaschweißen, Laserschweißen und das Elektronenstrahlschweißen.

Einordnung des Elektronenstrahlschweißens in Relation zum WIG- und Laserschweißen

Das Elektronenstrahlschweißen ist ein Fügeverfahren, bei dem Elektronen im Vakuum freigesetzt und auf die zu verschweißende Werkstückoberfläche fokussiert werden. Der Elektronenstrahl hat eine extrem hohe Energiedichte und ermöglicht dadurch das Schweißen von dünnen bis zu sehr dicken Wandstärken. Elektronenstrahlschweißen ist ein schnelles Schweißverfahren mit geringem Schweißverzug. Da der Prozess üblicherweise im Vakuum erfolgt, wird kein Schutzgas benötigt. Der Wirkungsgrad eines Elektronenstrahlgenerators liegt bei über 85%, wodurch der Prozess sehr energieeffizient ist.

Beim WIG-Schweißen brennt ein Lichtbogen zwischen Werkstück und einer Wolframelektrode, die im Gegensatz zu anderen Verfahren aber nicht abschmilzt. Das WIG-Schweißen ist ein recht langsames Verfahren, erzeugt aber gute Schweißnähte. Durch den Wärmeeintrag entsteht jedoch ein beachtlicher Verzug des Werkstückes. Für die Betrachtung der Effizienz ist außerdem der Verbrauch von Schutzgas und Schweißzusatz zu beachten.

Beim Laserschweißen wird der Strahl mittels einer Optik auf dem Werkstück fokussiert und die Schweißung erfolgt in der Regel ohne einen Zusatzwerkstoff. Der Schweißprozess ist relativ schnell und der zu erwartende Schweißverzug des Werkstückes bleibt moderat. Durch die Reflektivität der Metalle für Laserstrahlen sinkt jedoch in Abhängigkeit des Materials und der Wellenlänge die Effektivität des Prozesses. Auch die Verwendung von Schutzgas muss für die Betrachtung des gesamten Prozesses beachtet werden.

Energieeffizienz in der Produktion

Es kann zweifelsfrei angenommen werden, dass Nachhaltigkeit und der ökologische Fußabdruck von Unternehmen in Zukunft immer wichtiger werden und diese Themen somit eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der Fertigungsprozesse einnehmen werden. Neben dem Wirkungsgrad einer Maschine wird auch noch deren Ökobilanz bei der Herstellung, bei Betrieb und beim Recycling betrachtet werden. Gerade in diesen Bereichen ist das Elektronenstrahlschweißen als besonders nachhaltiges Fertigungsverfahren hervorzuheben. Da beim Schweißprozess kein Schutzgas benötigt wird, das einzige Verbrauchsmaterial die Kathode ist und der Wirkungsgrad sehr hoch ist, ist die Effizienz beim Betrieb einer Elektronenstrahlmaschine außerordentlich gut.

Fazit

Um die Energieeffizienz beurteilen zu können ist eine Betrachtung des gesamten Herstellungsprozesses notwendig. Das Elektronenstrahlschweißverfahren bietet viele Möglichkeiten die Ökobilanz zu verbessern und durch seine Vorteile die Herstellungskosten zu senken. Sprechen Sie uns an und wir helfen Ihnen gerne Ihre Prozesse energieeffizient zu optimieren.

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Das entwickelte und innovative EBOADD-Verfahren gehört zu den drahtbasierten Verfahren. Dabei wird ein Draht mit dem Elektronenstrahl aufgeschmolzen und selektiv deponiert.

Im Gegensatz zu pulverbasierten Verfahren bietet das EBOADD-Verfahren eine höhere Aufbaurate. Zusätzlich ist das Rohmaterial in Drahtform in der Anschaffung günstiger und weniger anfällig für äußere Verunreinigung wie z.B. durch Sauerstoff.

Ein weiterer Vorteil von EBOADD ist der Elektronenstrahl. Dieser kann mit bis zu 150 kV Beschleunigungsspannung herausfordernde Materialien aufschmelzen, die z.B. eine hohe Reflektivität (Kupfer) oder eine sehr hohe Schmelztemperatur (Wolfram) aufweisen. Auch rissanfällige (Nickellegierungen) oder reaktive Materialien (Titanlegierungen) können gut verarbeitet werden. Letzteres ist durch das erforderliche Vakuum gegeben.

Experimentelle Durchführung

Verwendet wird eine Elektronenstrahlanlage mit einem Kammervolumen von 22 m³ und einem 150 kV Elektronenstrahlgenerator. Die Startplatte wird auf einer Kipp-Z-Drehvorrichtung eingespannt. Die verwendete Anlage und der beispielhafte Versuchsaufbau werden in Abbildung 1 dargestellt.

Zu Beginn wird eine Startplatte im Vakuum mit einem defokussierten Strahl auf 600-800 °C vorgeheizt. Für diesen Vorgang ist keine zusätzliche Hardware erforderlich. Der additive Aufbau erfolgt mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV und einem Strahlstrom von 11-12 mA. Der auf einen Punkt zentrierte Strahl bewegt sich mit 20 Hz und einem Radius von 2,25 mm um ein Zentrum herum. In dieses Zentrum wird ein Edelstahldraht (Werkstoffnummer 1.4316) von 1,6 mm Durchmesser mit einer Geschwindigkeit von 15 mm/s diskontinuierlich befördert, aufgeschmolzen und deponiert. Im Gegensatz zu einer kontinuierlichen Drahtzuführung wird der Ansatz verfolgt, dass mit einer Punkt-aufbaudauer von 1s, Punkt für Punkt das Bauteil aufgebaut wird. Bedeutet, nachdem ein Punkt additiv aufgebaut wurde, wird der Draht leicht zurückgezogen und das Bauteil um 3 mm bewegt (Abstand der Punkte zueinander). Die Orientierung der Drahtzuführung zur aufgebauten Wand hat durchgehend einen Winkel von 90° (seitlich). Die Schichtdicke beträgt 1,5 mm. Damit wird eine Aufbaurate von ca. 30 cm²/h erreicht.

Für den Zugversuch werden Proben nach DIN 50125 mit der Probengeometrie E aus dem additiv gefertigtem Muster geschnitten. Zwei Orientierungen, vertikal und horizontal zur Aufbaurichtung, werden untersucht. Der Zugversuch wird an einer Universalprüfmaschine, Inspect 50 desk von Hegewald Peschke, mit einer Dehnrate von 0,0067 1/s durchgeführt.

Die Härtemessung nach Vickers erfolgt an einem polierten Schliff, mittig entlang der Aufbaurichtung. Verwendet wird das Modell Z3.2A der Firma Zwick & Co. KG.

Für den metallographischen Schliff wird die Probe eingebettet und mit Schleifpapier aufsteigender Körnungen (120 – 1.000 Körnungen) plan geschliffen und mit einer abschließenden Diamantpolitur (3 µm) poliert. Für das Gefügebild in Abbildung 2b wird die Probe nach Adler geätzt.

Ergebnisse und Diskussion

In Abbildung 2a ist das hergestellte Muster dargestellt. Es ist ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 90 mm und einer Wandstärke von ca. 5 mm.

Der hergestellte Schliff in Abbildung 2b zeigt ein kolumnares Gefüge, welches in Aufbaurichtung orientiert ist. Abbildung 2c stellt das austenitische Gefüge mit Deltaferrit dar. Defekte wie Poren, Risse oder Schichtanbindungsfehler werden nicht detektiert.

Im Zugversuch wird vertikal eine Zugfestigkeit von 500 MPa ± 8 MPa und horizontal von 550 MPa ± 4 MPa ermittelt. Hinsichtlich der Bruchdehnung wird vertikal ein Wert von 58,0 % ± 1,8 % und horizontal einen Wert von 52,4 % ± 0,4 % gemessen. Anhand dieser Ergebnisse ist eine gewisse Anisotropie zu erkennen wie sie typisch für die additive Fertigung ist [1-2]. Im technischen Datenblatt des Drahts werden Richtwerte von 590 MPa Zugfestigkeit und 35 % Bruchdehnung angegeben. Es zeigt sich, dass die hier ermittelten Werte hinsichtlich der Zugfestigkeit knapp darunter und hinsichtlich der Bruchdehnung weit darüber befinden. Die gemessene Härte liegt bei 173,5 ± 9,47 HV0,5 und damit leicht über den Angaben des technischen Datenblattes von 160 HV.

Die erwähnte Aufbaurate von ca. 30 cm³/h ist verglichen zu einem kontinuierlichen Drahtvorschub niedriger. Dies konnte jedoch weiter optimiert werden (siehe Abbildung 3). Der angewendete Ansatz bietet allerdings den Vorteil nicht rotationssymetrische Bauteile besser herstellen zu können.

In Abbildung 3 sind exemplarisch verschiedene Geometrien mit unterschiedlichen Materialien dargestellt, die bei der Steigerwald Strahltechnik GmbH mit EBOADD hergestellt wurden.

Zusammenfassung und Ausblick

Das von Steigerwald Strahltechnik GmbH entwickelte EBOADD-Verfahren bietet die Möglichkeit drahtbasierte additive Fertigung durchzuführen. Es können eine große Bandbreite von metallischen Legierungen verarbeitet werden. Auch der Aufbauprozess und die Strahlführung können beliebig mit der CNC-Programmierung vorgegeben werden.

Die Ergebnisse zeigen das Potential der drahtbasierten additiven Fertigung für komplexere Geometrien. Zusätzlich können mit den hier gezeigten Prozessparametern ein defektfreies und stängelkristallines Gefüge mit einer leicht anisotropen Zugfestigkeit und einer hohen Bruchdehnung erzielt werden.

Somit bietet dieser Prozess ein großes Potential hinsichtlich der drahtbasierten additiven Fertigung. Es können schwierig zu verarbeitende Materialien verwendet werden um mittels dem punktuellen Auftrag komplexere Geometrien zu erzeugen. Großes Optimierungspotential liegt auch bei der Aufbaurate und der möglichen parallelen Nutzung mehrerer Materialien.

Danksagung

Unser Dank geht an Prof. Dr.-Ing. Ghazal Moeini. Sie hat sich bereit erklärt die mechanischen Eigenschaften (Zugversuch) sowie das Mikrogefüge der additiv aufgebauten Proben zu untersuchen.

Referenzen

[1]        C. Körner (2016) Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting — a review, International Materials Reviews, 61:5, 361-377, DOI: 10.1080/09506608.2016.1176289

[2]        R. Guschlbauer, A. K. Burkhardt, Z. Fu, C. Körner (2020) Effect of the oxygen content of pure copper powder on selective electron beam melting, Materials Science and Engineering: A, Volume 779, DOI: 10.1016/j.msea.2020.139106.

© Ralf Guschlbauer, Entwicklungsingenieur, Steigerwald Strahltechnik GmbH, r.guschlbauer@sst-ebeam.com

Pavlo Denysiuk, Entwicklungsingenieur, Steigerwald Strahltechnik GmbH

Dr. Michael Maaßen, Forschung & Entwicklung Leitung, Steigerwald Strahltechnik GmbH

Prof. Dr.-Ing. Ghazal Moeini, Institut für Maschinenbau, Westfälische Hochschule

Weitere Informationen finden Sie unter:
www.eboadd.com und www.sst-ebeam.com

Steigerwald Strahltechnik GmbH
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Klaus Schmelzeisen, Vertriebsingenieur bei SST erklärt das Verfahren genauer:
„Die zwei oder drei Single-Bänder werden von Coils abgewickelt und gerichtet. Die speziell von uns entwickelten Vakuumschleusensysteme, erlauben das problemlose Führen der Bänder von Atmosphäre ins Vakuum und wieder zurück an Atmosphäre. Diese Schleusen stellen ein stabiles Vakuum in der Schweißkammer sicher und gewährleisten so einen höchst reproduzierbaren und kontinuierlichen Schweißprozess. Das fertig verschweißte Bi- bzw. Tri-Metallband wird dann nach dem Schweißprozess wieder auf einem Coil aufgewickelt. Neben unterschiedlichen Stahlmetallen verschweißen unsere EBOCONT Anlagen ebenso perfekt Kupfer und Kupferlegierungen, mit gleichen oder unterschiedlichen Stärken, zusammen. Bei Schweißgeschwindigkeiten bis zu 20 Metern in der Minute, können so kontinuierliche Schweißungen von ca. 25 km am Tag realisiert werden.“

Alles wird smart – steigender Bedarf an Messwiderständen erhöht die Nachfrage nach Shunts
Da in Europa und weltweit die technologische Entwicklung auf „Smart“ gestellt wurde, entsteht in den meisten Branchen ein immer weiter steigender Bedarf an präzisen Messwiderständen. Als maßgebliche Antreiber dafür sieht man bei SST z.B. die Umstellung von magnetischen auf elektronische Energiezähler in Europa oder auch den Einsatz von Batterie-Managementsystemen in der Elektromobilität.
SST-Vertriebsingenieur Klaus Schmelzeisen verdeutlicht das anhand zweier Steigerwald Kunden, die in den Bereichen messtechnische Systeme und Herstellung von kundenspezifischen Bi- und Tri-Metallbändern als Halbzeug für die Weiterverarbeitung zu den führenden Unternehmen zählen und bei denen EBOCONT Bandschweißmaschinen in der Produktion zum Einsatz kommen.

Führende Unternehmen in wachsenden Märkten
Die Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG ist einer der international führenden Hersteller von Präzisionsmesstechnik-Produkten und anerkannter Technologieführer in der Herstellung von Widerstandswerkstoffen sowie Werkstoffen zur Temperaturmessung.
Das Unternehmen war weltweit das erste, dass eine hochpräzise Messung von Strom, Spannung und Temperatur im automotiven Batteriemanagement realisieren konnte. Bei der Isabellenhütte Heusler werden die Shunts aus Tri-Metallbändern gefertigt, die zuvor aus drei einzelnen Kupferbändern und einer Legierung in einer EBOCONT Elektronenschweißanlage verschweißt wurden.

Die Wieland-Werke AG ist der weltweit führende Spezialist für Kupfer und Kupferlegierungen. Mit seinen Halbfabrikaten beliefert die Wieland Gruppe mit zahlreichen Standorten auf verschiedenen Kontinenten seine Kunden weltweit. Bei Wieland werden u.a. Tailored Bi- und Trimetal Stripes gefertigt, also kundenspezifische Halbzeuge für die Weiterverarbeitung, mit unterschiedlicher Breite, verschiedenen Metallkombinationen und einer flexiblen Bandstärke.

Mehr Informationen: www.sst-ebeam.com

Für die Zukunft gerüstet – eine Revolution in der industriellen Fertigung
Ähnlich dem mittlerweile etablierten 3-D-Druckverfahren für Kunststoffe nutzt die additive Fertigung das zugrunde liegende Prinzip und ermöglicht einen schichtweisen Aufbau von hochkomplexen, metallischen Bauteilen. Die benötigten Daten dazu können dabei unmittelbar aus den CAD-Dateien der Konstruktionsabteilung übernommen werden.
Mit dem von SST entwickelten neuartigen Verfahren EBOADD können so neue Geometrien, Werkstoff- und Legierungskombinationen realisiert werden, die neue Möglichkeiten in der Fertigung von Werkstücken und Produkten eröffnen. Es können mit EBOADD in nur einem Prozessschritt neue und innovative Bauteile kostengünstig, flexibel und schnell realisiert
werden. Spann-Werkzeuge entfallen komplett.
Neben der hochpräzisen Fertigung bietet die Technologie eine ganze Reihe weiterer Vorteile, wie z.B. eine kostengünstige Produktion, einen hohen Durchsatz, minimierte Fertigungszeiten und einen reduzierten Materialbedarf.

EBOADD – mit effizienter Energiequelle für hohe Geschwindigkeiten
Werfen wir nun einen Blick auf die Details des EBOADD-Verfahrens:
Die additive Fertigung erfolgt in speziell für dieses 3-DMetalldruckverfahren ausgerüsteten Elektronenstrahl-Kammermaschinen unterschiedlicher Größen, je nachdem ob kleinere, mittlere oder große und schwere Bauteile gefertigt werden sollen. Ist letzteres der Fall, kommen EBOADD-Maschinen mit einem Kammervolumen von ca. 50 m3 und mehr zum Einsatz.
Als Energiequelle wird ein effizienter Elektronenstrahl genutzt, der in der EBOADD-Kammermaschine durch eine leistungsstarke Generatoreneinheit generiert wird. Die verfahrbaren Generatoren ermöglichen Leistungsflussdichten bis über 107 W/cm2.
Während der Bearbeitung schmilzt der Elektronenstrahl die Ausgangsmaterialien auf und  ermöglicht so den kontinuierlichen Aufbau des Werkstücks. Da der Schweißprozess im Vakuum erfolgt, können neben einer ganzen Reihe von anderen Vorteilen, sehr hohe  Aufbaugeschwindigkeiten auch bei reaktiven, luftempfindlichen Materialien realisiert werden.

Neue Chancen für die Hochtechnologie
Besonders in Hochtechnologie-Branchen wie etwa im E-Mobility-Bereich, bei den erneuerbaren Energien, im Maschinen- und Anlagenbau oder auch in der Forschung und Entwicklung orientiert man sich Tag für Tag an neuen, zukunftsweisenden Schlüsseltechnologien, um rechtzeitig die Weichen für eine erfolgreiche Zukunft stellen zu können.

Hierzu äußerst sich Dr. Michael Maaßen, Entwicklungsleiter bei Steigerwald Strahltechnik: „Besonders im Bereich der Hochtechnologie bietet das EBOADD-Verfahren unseren Kunden und Projektpartnern strategische Vorteile gegenüber potentiellen Wettbewerbstechnologien. Das  Verfahren ermöglicht eine nahezu unbegrenzte Designflexibilität mit der Möglichkeit neue Materialkombinationen mit neuen integrierten Funktionen und optimierten Werkstoffeigenschaften zu entwickeln. Außerdem entstehen durch den Wegfall teurer Spannwerkzeuge eine nicht unerhebliche Material- und Zeiteinsparung und die kurzen Vorlaufzeiten, durch direkte Verarbeitung aus CAD- Anwendungen, ermöglichen ein flexibles Prototyping On-Demand.“

Mit Kooperationen neue Wege in die Zukunft gestalten
Der noch recht junge Bereich der additiven Fertigung mit dem Elektronenstrahl auf Drahtbasis bietet besonders den innovationsorientierten Unternehmen ein enormes Entwicklungspotential. Zusammen mit seinen namhaften Partnern aus Forschung und Entwicklung bietet Steigerwald
Strahltechnik diesen Unternehmen die Möglichkeiten von projektbezogenen aber auch langfristigen Kooperationen.
Dies bedeutet z.B. eine gemeinsame Entwicklung von innovativen Verfahrenslösungen auch bei gänzlich neuen Werkstoffkombinationen, Bauteilarchitekturen und Funktionsanforderungen. „Kooperationen und Partnerschaften mit zukunftsorientierten Unternehmen, Instituten oder Institutionen sind uns sehr willkommen“, so der SST Entwicklungsleiter Dr. Michael Maaßen, „zusammen bieten sich allen Beteiligten unzählige Chancen den Herausforderungen nicht nur gerecht zu werden, sondern eine erfolgreiche unternehmerische Zukunft aktiv mitzugestalten.“

Mehr Informationen unter: www.eboadd.com

BU: Moderne Universal-Elektronenstrahlkammermaschine von Steigerwald Strahltechnik

Seit Jahren pflegt Steigerwald Strahltechnik enge partnerschaftliche Zusammenarbeiten mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen, wie z.B. dem FZ Jülich oder dem Institut für Schweiß- und Fügetechnik (ISF) an der RWTH Aachen. Gemeinsam werden neue Verfahren und Anwendungsmöglichkeiten der EB-Technologie erforscht, um diese dann bis zur Marktreife weiterzuentwickeln.

Die Elektronenstrahl-Spezialisten bei SST sind besonders stolz auf die langjährige strategische Partnerschaft mit der Europäischen Organisation für Kernforschung, CERN – das größte Zentrum für physikalische Grundlagenforschung der Welt.

Untersucht werden hier „die Bausteine der Welt“ und ihre Wechselwirkungen, also den Aufbau der Materie bis in das Innere von Atomen hinein. Das geschieht u.a. mit dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) – der sogenannten „Weltmaschine“. Für den Bau von Teilchenbeschleunigern werden Hohlraumresonatoren (Kavitäten) benötigt. Diese bestehen aus Niob oder Kupfer. Für das Fügen von Kavitäten sind neben höchster Präzision ganz besondere Anforderungen an die Schweißnähte gestellt, die nur durch das Elektronenstrahlschweißen sichergestellt werden können. Gemeinsam mit den Spezialisten am CERN entwickelte SST für diese Anwendung ein spezielles Verfahren, dass auf einer Elektronenstrahl-Kammermaschine des Typs „EBOCAM“ so perfek-tioniert werden konnte, dass die Kavitäten für die Linearbeschleuniger unter Nutzung des SST 90°-Ablenkers „EBOBend“ von innen geschweißt werden können. Dadurch wird erreicht, dass die innere Oberfläche der Kavität keinerlei Unebenheiten aufweist.

BU: 90-Grad-Ablenker EBOBend

Die Herausforderung bestand darin, dass die ca. 1.200 mm langen Cavity- Elemente nur einen Innendurchmesser von ca. 80 mm haben. Das SST „EBOBend“-System taucht in die jeweiligen Abschnitte der Kavitäten ein und ein spezielles Spulensystem lenkt den hocheffizienten Elektronen-strahl um 90° ab. Dadurch werden die Fügestellen von der Innenseite verschweißt, was eine um ein Vielfaches höhere Qualität gewährleistet, als mit einer Schweißung von außen.

BU: Cavity-Element für Linearbeschleuniger

Mehrere universelle Elektronenstrahlmaschinen von Steigerwald Strahltechnik und dem Schwesterunternehmen PTR Strahltechnik sind dafür am CERN im Einsatz.

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BU: Moderne Universal-Elektronenstrahlmaschine von Steigerwald Strahltechnik

Spricht man von der Elektronenstrahltechnik, spricht man von einer Erfolgsgeschichte – blicken wir zurück.

Der Physiker Dr. Karl-Heinz Steigerwald gilt als Erfinder der Elektronenstrahltechnik in der Materialbearbeitung. Er war es, der 1952 die weltweit erste Elektronenstrahlmaschine baute. Auch wenn die Forschung mit der Elektronenstrahltechnik bereits Mitte des 19. Jahrhunderts ihren Anfang nahm, läutete Dr. Steigerwald 1948 eine neue Ära in der Materialbearbeitung ein, denn zu dieser Zeit beschäftigte er sich mit der Weiterentwicklung von Elektronenstrahlquellen mit höheren Leistungen. Seine Versuche, den Elektronenstrahl als thermisches Werkzeug zum Bohren von Uhrensteinen und zum Löten, Schmelzen und Schweißen im Vakuum zu nutzen, waren sehr erfolgsversprechend, sodass sich von da ab die Entwicklung in der Elektronenstrahltechnik beschleunigte.

BU: Dr. K.-H. Steigerwald und seine ersten Elektonenstrahlschweißmaschinen

1952, nur vier Jahre später baute der Physiker die erste Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine. 1958 verschweißte er dann 5 mm dickes Zircaloy stumpf miteinander und entdeckte dabei den „Tiefschweißeffekt", der bis heute ein Garant für hochfeste Verbindungen mit dem Elektronenstrahl ist.

1963 gründete Dr. Steigerwald die Firma Steigerwald Strahltechnik GmbH, die sich bis heute zu einem der weltweit führenden Unternehmen für     Elektronenstrahltechnologien entwickelt hat. Die permanente Innovationskraft des Unternehmens, von den ersten Versuchen des Physikers bis heute, brachte Steigerwald Strahltechnik in den Märkten den berechtigten Zusatz „The Innovators of the Electron Beam“.

Kunden und Partner des Unternehmens Steigerwald Strahltechnik GmbH profitieren nun bereits seit über 60 Jahren von der Kompetenz und dem Know-How des führenden Spezialisten in der Elektronenstrahltechnologie.

Als Mitglied der GBT-Gruppe greift Steigerwald Strahltechnik auf langjährige Erfahrung, weltweite Präsenz und wirtschaftliche Stärke zurück. Heute operieren unter dem Dach der Global Beam Technologies AG die Unternehmensteile Steigerwald Strahltechnik GmbH in Maisach bei München, die PTR Strahltechnik in Langenselbold bei Frankfurt und PTR Precision Technologies INC in Enfield bei Boston, als innovativer Partner für Anwender der Elektronenstrahltechnik rund um den Globus.

Die GBT-Gruppe beschäftigt mittlerweile mehr als 860 Mitarbeiter an über 30 Standorten weltweit und ist in 55 Ländern vertreten. Der Jahresumsatz beläuft sich auf rund 175 Millionen Euro. Durch die weltweite Präsenz von Vertrieb und Service, einer herausragenden Betreuung – von der Anfrage, über die Konstruktion bis hin zur Inbetriebnahme der Anlagen beim Kunden – entwickelte sich aus einem kleinen Unternehmen, ein weltweit führender Entwickler und Hersteller von Elektronenstrahlmaschinen. Dazu zählen Elektronenstrahlschweißmaschinen unterschiedlichster Typen für vielfältige Anwendungen, Elektronenstrahl-Bohrmaschinen, Elektronenstrahlmaschinen zur Oberflächenbehandlung und Elektronenstrahlmaschinen zur additiven Fertigung.

BU: Firmengebäude der Steigerwald Strahltechnik GmbH in Maisaich bei München

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