Wire-Arc Additive Manufacturing

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Wire-Arc Additive Manufacturing (kurz WAAM, dt. Lichtbogendrahtauftragschweißen) ist ein Verfahren zur ➭Additiven Fertigung, welches einen Draht und einen ➭Lichtbogen nutzt, um Material aufzutragen und dadurch Bauteile aufzubauen. WAAM ist eine automatisierte Form des ➭Auftragschweißens. Das Verfahren ermöglicht eine kosteneffiziente Fertigung großvolumiger metallischer Bauteile.

Weitere Informationen zu WAAM können der Dissertationsarbeit Prozessorientierter Digitaler Zwilling in WAAM [1] entnommen werden.

Überblick

Der WAAM-Prozess zeichnet sich durch hohe Auftragsraten und geringe Fertigungskosten aus. Die Materialnutzung ist hoch und die Investitionskosten sowie die Kosten des Ausgangsmaterials sind niedrig. Die Materialeigenschaften sind sehr gut. Die erreichbare Genauigkeit und Teilekomplexität ist jedoch geringer als bei anderen additiven Fertigungsverfahren wie L-PBF oder andere pulverbettbasierte Verfahren. Zudem ist der Nachbearbeitungsaufwand hoch.

Prozess

Highspeed-Video (GIF) des WAAM-Prozesses

Beim WAAM-Prozess wird mithilfe eines Schweißverfahrens Material auf ein Grundbauteil aufgetragen, sodass im Laufe des Prozesses ein Bauteil entsteht. Beim Grundbauteil kann es sich um eine Substratplatte handeln, welche im Nachgang entfernt wird, oder um ein Element des finalen Bauteils. Im WAAM-Prozess können verschiedene Schweißverfahren eingesetzt werden:

In vielen Fällen wird der sogenannte ➭CMT-Prozess („cold metal transfer“) genutzt, da hier der Wärmeeintrag auf Grund eines oszillierenden Drahts gering ist. Der CMT-Prozess ist ein wellenförmig kontrolliertes Schweißverfahren, in welchem die Strom- und Spannungsverläufe kontrolliert werden. Er teilt sich ein in drei Phasen:

  • Spitzenstromphase: Zündung des Lichtbogens
  • Hintergrundstromphase: Bewegung des Drahts in Richtung des Schmelzbads
  • Kurzschlussphase: Ablegen des gebildeten Tropfens im Schmelzbad und Rückziehbewegung

Der Prozess ist in dem Hochgeschwindigkeitsvideo 🎞WAAM_Highspeed dargestellt. Als Materialien können ➭Stahl, ➭Aluminium, ➭Titan sowie weitere schweißbare Materialien genutzt werden. Im Anschluss an die Fertigung mittels WAAM findet üblicherweise eine Nachbearbeitung statt.

Aufbau einer WAAM-Fertigungsanlage

Roboterbasiertes WAAM-Setup am Forschungs- und Vorentwicklungsstandort der Siemens AG in München

Eine WAAM-Zelle besteht aus folgenden Komponenten, von denen einzelne optional sind:

  1. Kinematik:
    • Werkzeugführung: kartesisch oder roboterbasiert zur Führung des Werkzeugs
    • Werkstückführung: gegebenenfalls ein Dreh-Kipp-Tisch für das Bauteil/das Substrat
  2. Steuerung:
  3. Prozessüberwachung:
  4. Sicherheitssystem:
    Zaun, Notausschalter, Schweißermaske, ...

Weitere Anforderungen an ein WAAM-System sind auch in [2] hinterlegt.

Wertschöpfungskette

Die Wertschöpfungskette besteht aus drei Schritten[1]:

  1. Die Wertschöpfungskette beginnt beim Bauteildesign im ➭CAD-Umfeld. Es folgt die Prozessplanung mittels ➭CAM-Unterstützung. Zunächst wird der Werkzeugweg angelegt. Dieser kann mithilfe von Temperatur- und Verzugssimulationen überprüft werden. Es folgt eine Maschinensimulation, mit deren Hilfe sichergestellt wird, dass es beim Abfahren der Werkzeugwege zu keinen Kollisionen kommt. Auf Basis der erzeugten Bewegungen der Kinematik wird ein Maschinencode, beispielsweise ➭G-Code, erzeugt.
  2. Mithilfe des G-Codes steuert die Echtzeitsteuerung den Fertigungsprozess. Mithilfe der Prozessüberwachung werden prozessparallel relevante Informationen zum Prozess und zum Bauteil aufgenommen und ausgewertet. Gegebenenfalls kann eine Prozessregelung[3] (siehe Datenerfassung und Prozessregelung im WAAM Prozess und WAAM - Bildbasierte Prozessüberwachung) eingesetzt werden. Nach der Fertigung findet eine Nachbearbeitung, beispielsweise in Form einer ➭Wärmebehandlung oder einer Bearbeitung der Funktionsflächen, statt.
  3. Zuletzt erfolgt die Qualitätssicherung. Dafür können beispielsweise ➭Ultraschall- oder ➭Röntgengeräte eingesetzt werden.

Referenzen

  1. ↑ 1,0 1,1 R.T. Reisch, Prozessorientierter Digitaler Zwilling für die Additive Fertigung mittels Lichtbogenauftragsschweißen, (TUM, 20xx),
  2. ↑ R.T. Reisch, Robot Based Wire Arc Additive Manufacturing System with Context- Sensitive Multivariate Monitoring Framework, (FAIM, 2020),
  3. ↑ R.T. Reisch, Nozzle-to-Work Distance Measurement and Control in Wire Arc Additive Manufacturing, (ESSE, 2021),
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