Metall-3D-Druck Musterqualifizierung eines additiv gefertigten Druckbehälters

Als Mitglied des „Gemeinsamen Arbeitskreises für additiv gefertigte Bauteile nach der Druckgeräterichtlinie des Deutschen Instituts für Normung (DIN)“ hat Fronius in Zusammenarbeit mit MIGAL.CO, Linde Engineering und TÜV SÜD an der Musterqualifizierung eines additiv gefertigten Bauteils mitgewirkt. Die Arbeitsgruppe bewertete die Anwendbarkeit des Normentwurfs prEN 13445-14 auf den Metall-3D-Druck von Bauteile unbefeuerter Druckbehälter.

Der lichtbogenbasierte Metall-3D-Druck ist auf dem besten Weg, die Herstellung von Metallteilen radikal zu verändern. Das endkonturnahe additive Fertigungsverfahren mit Schweißdraht formt dreidimensionale Objekte durch schichtweises Auftragen von Schweißraupen, In Europa sind Normen für additiv gefertigte, ungebrannte Druckbehälter in Arbeit. Linde Engineering, MIGAL.CO, TÜV SÜD Industrie Service GmbH und Fronius International GmbH sind federführend, geht es darum, drahtgebundenen Fertigungsverfahren zum Durchbruch zu verhelfen.

MT-Schweißverfahren ideal für Metall-3D-Druck

Der 3D-Druck arbeitet mit verschiedenen Verfahren. Drahtbasierte Verfahren wie „Fronius Additive“ schmelzen den Schweißdraht und bauen das Werkstück Schicht für Schicht auf. Um zu verhindern, dass zu viel Wärme in das Werkstück fließt, müssen sie so ausgelegt sein, dass sie möglichst wenig Energie aufbringen. Das MIG-basierte Cold Metal Transfer-Schweißverfahren (CMT) von Fronius eignet sich besonders für den Metall-3D-Druck von Aluminiumbauteilen. CMT ist ein „kühler“ Kurzlichtbogenprozess, der trotz hoher Abschmelzleistung den Wärmeeintrag minimiert. Dieses Verfahren eignet sich daher für das additive Schweißen, bei dem der zyklische Aufbau von Schweißraupen einen hohen Wärmeeintrag verursacht.

CMT unterstützt Funktionen, die sich perfekt für den 3D-Druck von Metallen eignen. Die „Leistungskorrektur“ ist ein typisches Beispiel. Mit dieser Funktion lässt sich die elektrische Leistung exakt an die jeweilige Prozessphase anpassen, während die Abscheiderate konstant bleibt.

„Mit unseren speziell für die additive Fertigung entwickelten CMT-Additive-Pro-Funktionen wie die Leistungskorrektur oder den Deposition Stabilizer, der die Abschmelzleistung konstant hält, können wir den Leistungseintrag und somit die Höhe und Breite der Schweißnaht gezielt steuern“, erklärt DI Leonhard Reiter, Fronius R&D.

Normen für additiv gefertigte Bauteile und Druckgeräte

Als Mitglied des „Gemeinschaftsarbeitskreises für additiv gefertigte Bauteile nach der Druckgeräterichtlinie des Deutschen Instituts für Normung (DIN)“ hat Fronius in Zusammenarbeit mit Migal.Co, Linde Engineering und TÜV SÜD an der Modellqualifizierung eines additiv gefertigten Bauteils mitgewirkt. Die Arbeitsgruppe bewertete die Anwendbarkeit des Normentwurfs prEN 13445-14 auf die Bauteile von unbefeuerten Druckbehältern.

Die beteiligten Partner haben an ihren jeweiligen Standorten die Materialqualifizierung, die Designprüfung, die Prozessqualifizierung, die additive Fertigung, die Bauteil- und Druckprüfung sowie die vollständige Dokumentation der Prozesskette durchgeführt und anschließend eine verbindliche Additive Manufacturing Procedure Specification (AMPS) erstellt.

„Im Normentwurf zur prEN 13445-14 sowie in der bereits veröffentlichten DIN/TS 17026 wird die gesamte Wertschöpfungskette inklusive aller Überwachungsdetails betrachtet. Hierdurch wird Sorge getragen, dass die grundlegenden Sicherheitsanforderungen, die in der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU definiert sind, eingehalten werden können“, beschreibt Dr.-Ing. Kati Schatz, Linde Engineering, die Inhalte der entstehenden Norm. „Enthalten sind alle Details. Dies betrifft insbesondere die Anforderungen an die Werkstoffe, die Auslegung, die Qualifikation des additiven Verfahrens, die Herstellung und Prüfung sowie die Abnahme und Dokumentation. Die Vorgehensweise unterscheidet sich kaum von jener bei konventionell gefertigten Druckbehältern. Noch ohne die sogenannte ‚Vermutungswirkung‘ einer angestrebten harmonisierten Norm und einem Änderungsprozess vorbehalten, kann die Spezifikation dennoch als Orientierungshilfe für alle Beteiligten im additiven Herstellprozess von Druckgeräten dienen.“

Konstruktion, Material und Schweißzusatz

Die gesamte Prozesskette wurde anhand eines Druckbehälters in der Form eines Rohrabzweigs überprüft. Gemäß der Konstruktionsvorlage wurde der Abzweig (additiv aufgetragener Bereich bis zum Stutzen) auf einem konventionell gefertigten Grundrohr mit einer dafür vorgesehenen Aussparung geformt. Man spricht hier von einem hybriden Bauteil, da das aufzuschweißende Trägermaterial zu einem integralen Bestandteil des Druckbehälters wird.

„Beim Werkstoff haben wir uns für Aluminium entschieden. Im Anlagenbau verwenden wir die naturharte Knetlegierung aufgrund ihrer hervorragenden Tieftemperaturzähigkeit bis minus 273 °C. Allerdings ist das Schweißen des Materials herausfordernd. So sind nicht nur die Prozessauswahl und die Prozessparameter entscheidend für das Ergebnis, sondern auch die Auswahl des Schweißzusatzes“, erklärt Martin Lohr, Linde Engineering.

Der Schweißzusatz spielt beim Metall-3D-Druck eine Schlüsselrolle, denn es gelten enge Toleranzen sowohl für den Durchmesser als auch für die chemische Zusammensetzung, wobei möglichst wenig Wasserstoff enthalten sein soll. Außerdem muss der Draht frei von Einschlüssen und lagenecht gespult sein, damit der Herstellungsprozess reibungslos verläuft.
 „Ein bedeutendes Umweltthema, weil klimarelevant, ist der CO2-Fußabdruck des Schweißdrahtes“, zeigt Ing. Robert Lahnsteiner, CEO von MIGAL.CO auf und ergänzt: „Unserer liegt bei 3,8 kg CO2 pro Kilogramm Aluminium, was unter einem Viertel des internationalen Durchschnitts ausmacht.“

Bauteilkonstruktion und Auswahl des Metall-3D-Druck-Verfahrens

Ziel war es, den Übergang vom Grundrohr des Druckbehälters zum Stutzen sowohl in Bezug auf die Strömung als auch auf die Topologie zu optimieren. Die Auslegung führte zu folgenden Wandstärken: 8 mm für das Grundrohr, 14 mm für den Übergang vom Grundrohr zum Abzweig und 5 mm für den Abzweig.

Die wesentlichen Anforderungen an das Metall-3D-Druck-Verfahren DED (auch als Wire-Arc-Additiv-Manufacturing-Prozess bekannt) für die Modellqualifizierung des Druckbehälters waren:

• die höchstmögliche Abscheiderate

• ein wärmereduzierter Prozess zur Vermeidung bzw. Minimierung des Kühlbedarfs und des Verzugs 

• bindefehlerfreie Anbindung an das Grundmaterial

• Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen des Abstandes zwischen Schweißbrenner und Bauteil

• absolute Reproduzierbarkeit der hohen erforderlichen Werkstoffqualität innerhalb der qualifizierten Depositing-Verfahrensgrenzen.

• Eignung für große Bauteile

Aufgrund der Anforderungen wurde für den additiven Auftrag der Schweißlagen das MIG-basierte CMT-Verfahren gewählt, und zwar CMT-Mix für die ersten Lagen und CMT-Additiv Pro für den anschließenden Wandauftrag, bei dem der Einsatz der Leistungskorrektur die Wärmeeinbringung maßgeblich beeinflusst.

Qualifizierung des Prozesses

Der Anwendungsbereich der prEN 13445-14 erforderte aufgrund der unterschiedlichen Wandstärken des Übergangs vom Grundrohr zum Abzweig drei separate Verfahrensprüfungen (DPQR). Die daraus resultierenden Verfahrensspezifikationen (DPS) sind für den additiven Schweißprozess verbindlich. Das endgültige „Rezept“ für den metallischen 3D-Druck, die so genannte Additive Manufacturing Procedure Specification (AMPS), besteht somit aus drei Abscheidungsvorgaben, Anweisungen für die Schweißreihenfolge sowie Hinweisen zu Werkstoffnachweisen und Bedienerqualifikationen.

„Die kontinuierliche Produktqualität von additiv gefertigten Bauteilen wird neben den schweißtechnischen Vorgaben durch Materialzeugnisse und Bedienerqualifikationen sichergestellt“, erklärt DI Manfred Schörghuber, Fronius R&D.

Wie in der prEN 13445-14 vorgesehen, wurden die einzelnen Prüfstücke zerstörungsfrei und zerstörend geprüft. Zum Nachweis der äußeren und inneren Fehlerfreiheit wurden Sicht- und Maßprüfungen (VT), Volumenprüfungen (RT-D) und Oberflächenprüfungen (PT) als zerstörungsfreie Prüfverfahren genutzt.

„Die Erfüllung der mechanisch-technologischen Anforderungen an den additiv gefertigten Werkstoff und die Hybridverbindung haben wir mit Prüfungen zur chemischen Zusammensetzung sowie mit Zug- und Biegeversuchen nachgewiesen, die senkrecht zur Richtung der Auftragslage entnommen worden sind. Abschließend haben wir an den Start- und Stoppstellen sowie an der Hybridverbindung metallografische Untersuchungen vorgenommen“, schildert Dipl.-Ing. (FH) Martin Boche, TÜV SÜD.

Planung und Simulation der Roboterbahn

Die Bahn für die Roboterschweißaufgabe wurde anhand eines dreidimensional modellierten Rohrstrangs in der bei Fronius entwickelten CAM-Software (Computer Aided Manufacturing Software) geplant.

„Den additiven Aufbauvorschlag – das eigentliche Schweißprogramm – haben wir durch Eingabe von Lagenhöhe, Position, Geschwindigkeit und Aufbaustrategie errechnet. Visualisiert worden ist die Schweißbahn in einer von unserer Software modellierten Roboterschweißzelle“, führt DI Leonhard Reiter, Fronius R&D, weiter aus.

Positionsabtastung und Sensorfahrt

Um das Bauteil perfekt zu positionieren und die Fertigungstoleranzen zu korrigieren, wurde es mit Fronius WireSense abgetastet. Diese innovative Sensortechnologie nutzt die Drahtelektrode als taktilen Sensor und tastet die Schweißkontur punktuell ab. Berührt die Elektrodenverlängerung die Oberfläche, entsteht ein Kurzschluss, der ein Abstandssignal auslöst und an den Schweißroboter weiterleitet. Die Software des Systems vergleicht den offline programmierten Sollwert mit dem Istwert des WireSense-Verfahrwegs und korrigiert bei Bedarf den Schweißweg für die additive Fertigung. Der Draht fährt dann sofort zurück und - während der Roboter den Schweißbrenner weiterbewegt - wieder vorwärts zum nächsten Punkt, wo ein weiterer Kurzschluss ausgelöst, ein Abstandssignal erzeugt und der Schweißweg gegebenenfalls erneut modifiziert wird. So werden Geometrieabweichungen minimiert.

Herstellung des Bauteils

Die verschiedenen Wandstärken im Übergang zum Abzweig wurden über unterschiedliche Pendelamplituden realisiert. Ein konstanter Wärmehaushalt war erforderlich, um die notwendige optimale Schweißnahtspitze von Raupe zu Raupe und den gleichmäßigen Schweißnahtverlauf zu gewährleisten. Hierfür wurden lagespezifische Schweißjobs mit spezifischen Parametern verwendet.

Für das Bauteil wurde während des Schweißvorgangs ein Wasserzu- und -rücklauf vorgesehen. Der so erzeugte Wasserstand musste weit genug von der Schweißstelle entfernt sein, um die Zwischenlagentemperatur im qualifizierten Bereich zu halten. Dies ermöglichte ein kontinuierliches Schweißen ohne Kühlpausen. Die Kühlung des Bauteils minimierte den Bauteilverzug und erhöhte die Abschmelzleistung.

„Wir haben den Lagenaufbau mit einer prozesssynchron getriggerten Kamera beobachtet. So konnten wir im Nachgang Prozessabweichungen genauer analysieren“, ergänzt Reiter, Fronius R&D.

Überwachung der Parameter und Dokumentation

Die Schweißdatenmanagement-Software WeldCube überwachte die in der AMPS (Additive Manufacturing Procedure Specification) festgelegten Parametergrenzen und gab eine Warnung aus, sobald die voreingestellten Grenzwerte überschritten wurden. Die Summe aller Parameter ergab den „Fingerabdruck“ des additiven Aufbaus und erleichterte die Analyse bei möglichen Unstetigkeiten.

Abschließende Prüfung der Komponenten und Blick in die Zukunft

Die abschließende Prüfung inklusive Bestätigung der CE-Konformität erfolgte durch die notifizierte Stelle 0036 der TÜV SÜD Industrie Service GmbH.
 „Parallel zu diesen Prüfungen haben wir metallografische Ausarbeitungen vorgenommen, die insbesondere jene Bereiche abdeckten, wo Unregelmäßigkeiten festgestellt wurden. Betroffen waren auch die Übergangsbereiche zwischen klassischem Werkstoff und additivem Schweißauftrag, dem Hybridbereich. Die metallografische Untersuchung dient vor allem zur Verifizierung der gesammelten Daten aus Parameterüberwachung und mechanisch-technologischer sowie zerstörungsfreier Prüfung. Dabei werden Stichproben entnommen, die eine Aussage darüber ermöglichen, inwieweit der Werkstoff und das verwendete Fertigungsverfahren einwandfrei sind“, erörtert Boche.

Nachdem nun das Konformitätsbewertungsverfahren nach Modul G der europäischen Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU in Form einer „Modellqualifikation“ eines additiv gefertigten Druckbehälters mit anschließender CE-Kennzeichnung zur Bestätigung der Einhaltung der Anforderungen dieser EU-Richtlinie abgeschlossen ist, will der Gemeinschaftsarbeitskreis Druckbehälter des Deutschen Instituts für Normung (DIN), vertreten durch Linde Engineering, TÜV-SÜD Industrie Service GmbH, MIGAL.CO und Fronius, die Akzeptanz der additiven Fertigung im Allgemeinen und im Anlagen- und Behälterbau im Besonderen erhöhen.

Weitere Informationen: https://www.youtube.com/watch?v=hDQjQMDprMI

Additive Fertigung

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