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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2024

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2024

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK INFRAROT-MESSTECHNIK OPTIMIERT 3D-DRUCKVERFAHREN DER ADDITIVEN FERTIGUNG MIT DEM LICHTBOGEN SCHNELLER ZU KOMPLEXEN BAUTEILEN Über das innovative WAAM-Verfahren lassen sich Schicht für Schicht Metallteile wirtschaftlicher herstellen 01 Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist eine 3D-Drucktechnologie, die sich in der Fertigung immer mehr durchsetzt, und das aus gutem Grund. Das Verfahren ist schnell, genau und in der Lage, große Objekte präzise herzustellen. Zudem lässt sich der Prozess automatisieren, gut kontrollieren und steuern. Um den 3D-Druck zu optimieren, erfasst ein Berliner 3D-Druck-Spezialist die Temperaturen im Werkstück mit moderner Infrarotmesstechnik. Beim Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) wird der Werkstoff als Draht mittels Lichtbogenschweißen Schweißraupe für Schweißraupe auf eine Grundplatte aufgebracht. Dies bringt gleich mehrere Vorteile im Vergleich zu pulverbasierten Verfahren mit sich: Draht ist als Ausgangsmaterial deutlich günstiger, und die meisten Werkstoffe sind in Drahtform erhältlich. Zudem können sowohl das aufwändige Pulverhandling als auch die Vakuumtechnologie entfallen. Größter Vorteil ist jedoch eine sehr hohe Aufbaurate, die mittels WAAM erreicht werden kann. Je nach verwendetem Werkstoff kann diese bis zu 650 cm 3 pro Stunde betragen. Das Berliner Unternehmen Gefertec entwickelt und baut Maschinen, die den WAAM-Prozess für den 3D-Druck von Metallen verwenden. Die arc-Maschinen, die es als 3- und 5-Achs-Variante in unterschiedlichen Größen gibt, integrieren die ausgereifte Lichtbogenschweißtechnologie, eine benutzerfreundliche CAM- Software und eine Werkzeugmaschine zu einer einsatzbereiten additiven Fertigungslösung. In der aktuell größten Ausbaustufe mit einem Bauraum von 8 m 3 können Bauteile bis zu 8 000 kg gefertigt werden. Eine speziell entwickelte CAM-Software erzeugt aus den CAD-Daten des Werkstücks die Daten, mit denen die CNC-Steuerung die exakte Positionierung des Schweißkopfs vornimmt. Die Fertigung des endkonturnahen Werkstücks erledigt die Maschine dann vollautomatisch. Nach dem 3D-Druckprozess wird die Oberfläche des Bauteils je nach Anforderungen der Anwendung noch komplett oder teilweise spanend bearbeitet. PYROMETER ALS UNVERZICHTBARE MESSTECHNIK Die Temperaturen spielen im WAAM-Prozess eine wichtige Rolle. Denn die Temperaturverteilungen im Werkstück und das Abkühlverhalten sind von entscheidender Bedeutung, um die Qualität des fertigen Bauteils sicherstellen zu können. „Im Betrieb der Maschine wird erst dann mit dem Aufschweißen begonnen, wenn die darunter liegende Lage auf eine bestimmte Temperatur abge- 44 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2024/06 www.industrielle-automation.net

SENSORIK UND MESSTECHNIK 01 Die mit dem Pyrometer gemessene Temperatur muss auf einen voreingestellten Wert absinken, bevor die nächste Lage aufgeschweißt wird; Martin Lange (li.), Produktentwicklung Gefertec und Martin Wolter (re.), Schweißfachingenieur mit Blick auf den Prozess 02 Die Infrarotkamera misst die Temperaturen und deren Verteilung über das gesamte Bauteil und sorgt so für einen einwandfreien Fertigungsprozess kühlt ist“, erläutert Martin Lange, Mitarbeiter der Produktentwicklung bei Gefertec. Ist die Zwischenlage noch zu warm, führt das zu einem ungleichmäßigen Aufbauverhalten – die Schichtdicke würde zu stark variieren und die Geometrie des Bauteils nicht eingehalten. Die entsprechende Temperaturmesstechnik ist in der Maschine mit einem Pyrometer gelöst. Nach dem Abschluss einer Lage fährt der Schweißkopf zum Startpunkt der nächsten Lage, das Pyrometer misst dann dort die Temperatur des Bauteils. Und erst wenn diese auf den voreingestellten Wert gesunken ist, arbeitet die Maschine weiter. „In den meisten Anwendungen haben wir für die Zwischenlagentemperatur einen Wert von 150 bis 200 °C eingestellt“, sagt der Entwicklungsingenieur: „Dies ist für die Reproduzierbarkeit der Schweißnahthöhe optimal.“ In den arc-Maschinen, die Gefertec zukünftig ausliefert, sollen Pyrometer aus der CT-Serie von Optris zum Einsatz kommen. Diese haben einen sehr kleinen Messkopf, der sich einfach in die Maschine integrieren lässt. Die separate Elektronikbox, die im Schaltschrank Platz findet, hat verschiedene Ausgänge, über die der Wert an die Steuerung der Maschine übergeben wird. Auf diese Weise wird die Zwischenlagentemperatur im Betrieb perfekt auf den passenden Wert eingestellt. INFRAROTKAMERAS LIEFERN IN DER ENTWICKLUNG WICHTIGE ERKENNTNISSE Bei der Entwicklung der arc-Maschinen und speziell bei der Qualifizierung der Prozesse kommen zusätzlich Infrarotkameras zum Einsatz. „Im Rahmen unserer Untersuchungen ist es von Vorteil, wenn man ein Gesamtbild aufnehmen kann und so eine räumliche Verteilung der Temperaturen erhält“, erklärt Martin Wolter, der als Schweißfachingenieur in der Prozessentwicklung bei Gefertec tätig ist. Dadurch lassen sich Temperaturverteilungen und Abkühlprozesse untersuchen, die für die Qualifizierung der Prozesse benötigt werden. Besonders hilfreich ist dabei die Verwendung einer Spotfinder-Infrarotkamera wie die Xi 400 von Optris. Diese hat eine optische Auflösung von 382 ´ 288 Pixel. „Da der verwendete Spektralbereich in der aktuellen Infrarotkamera für den Einsatz an Metalloberflächen nicht optimal ist, erhalten wir nur eine qualitative Aussage und keine realen Temperaturen“, betont M. Wolter einen kleinen Nachteil der aktuellen Infrarotkamera. Um die tatsächlichen Temperaturen im Schmelzbad und in dessen Umgebung zu bestimmen, wird in Zukunft eventuell mit der PI 1M eine neue Infrarotkamera von Optris eingesetzt werden, die speziell für Anwendungen mit Metallen konzipiert ist. Sie verwendet eine Messwellenlänge im Bereich von 1 µm; in diesem Spektralbereich ist der Emissionsgrad von Metallen deutlich höher als in dem üblichen Spektralbereich. Die Infrarotkameras lassen sich über eine USB-Schnittstelle an einen PC anschließen, um so die aufgenommenen Bilder zu übertragen. Mit der Analyse-Software PIX Connect, die Optris zusammen mit den Infrarotkameras ausliefert, können die Thermografie-Bilder in Echtzeit ausgewertet werden. Und auch eine Archivierung der Aufnahmen ist mit der Software einfach möglich. Bilder: Aufmacher Gefertec, Optris www.optris.com UNTERNEHMEN Optris GmbH & Co. KG Ferdinand-Buisson-Str. 14, 13127 Berlin Tel. 030 500 197 0 AUTOR Dipl.-Wirt.-Ing. Ingo Stahlkopf Head of Sales, Optris, Berlin 02 www.ProcessSensing.com Michell | Dew Point Instruments Aii | Oxygen Sensors Rotronic | Humidity Instruments Rotronic | Monitoring System LDetek | Trace Impurity Analyzers Dynament | Gas Safety Sensors Ntron | Oxygen Analyzers SST | Oxygen Sensors