[INTERVIEW] Peter Hansford, Wayland Additive CRO, Elektronenstrahl-Metalladditivfertigung mit „höchstem Kaliber“.

Nov 07, 2023

Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Wayland Additive geht neue Wege in der Metall-Additiv-Fertigungsbranche, indem es einen innovativen Ansatz für die Elektronenstrahl-Fertigungstechnologie anbietet. Ihre Lösung mit der Bezeichnung NeuBeam-Prozess versucht, die seit langem bestehenden Probleme beim traditionellen Elektronenstrahlschmelzen (EBM) zu lindern. Diese Probleme haben eine breitere Einführung von EBM-Technologien behindert, trotz ihrer Vorteile für bestimmte Anwendungen und im Hinblick auf Qualitätssicherung und Prozessüberwachung.

Peter Hansford, CRO von Wayland Additive, hob in diesem Interview mit 3D Printing Industry die Kernunterschiede zwischen elektronenstrahl- und laserbasierter additiver Fertigung hervor. „Elektronenstrahl und Laser unterscheiden sich grundlegend darin, dass es sich bei dem einen um einen heißen und bei dem anderen um einen kalten Prozess handelt. Bei beiden gibt es Einschränkungen, nicht dass einer besser ist als der andere. Es ist einfach anders“, erklärte Hansford.

Elektronenstrahltechnologien werden üblicherweise für größere Teile eingesetzt, die während eines Laserprozesses aufgrund des Erwärmungsprozesses einer erheblichen Belastung ausgesetzt wären. Der Elektronenstrahl wurde jedoch nicht weit verbreitet, weil „es ein schwierig zu handhabender Prozess ist“, was teilweise auf die Wirkung negativer Elektronen auf das lose Pulver zurückzuführen ist. Über dieses Problem wird seit zwanzig Jahren „ein Heftpflaster“ gelegt. Waylands neuer Ansatz zielt darauf ab, diese Probleme von Anfang an zu umgehen.

Laut Hansford nutzt der NeuBeam-Prozess eine Technik, bei der „das gesamte System neutralisiert wird, was sich völlig von jedem anderen EBM-System da draußen unterscheidet“. Dieser einzigartige Ansatz macht Wayland Additive zum einzigen Unternehmen, das derzeit ein neutrales System in eBeam anbietet.

Das erste kommerzielle NeuBeam-System für die additive Metallfertigung von Wayland Additive, bekannt als Calibur3, wurde im März 2021 auf den Markt gebracht.

Das NeuBeam-Verfahren eignet sich gut für Anwendungen mit Hochtemperatur- oder schwer zu verarbeitenden Materialien. „Hochtemperaturmaterialien, Materialien, die schwer zu verarbeiten sind, Dinge, die entweder optisch schwierig sind, wie etwa kupferreflektierende Materialien, oder bei denen die Temperatur ein Problem darstellt und zu Rissen führt“, erklärte Hansford. Ihre Technologie ermöglicht es ihnen, vollständig dichte, schwer zu verarbeitende Materialien wie Wolfram zu drucken.

Marktgröße für additive Fertigung mit Elektronenstrahl

Auf die Frage nach dem potenziellen Markt für diese Technologie zeigte sich Hansford optimistisch hinsichtlich des Wachstums des adressierbaren Marktes. Er hob jedoch auch die Herausforderungen hervor, die mit der Einführung neuer Technologien verbunden sind, um mit traditionellen Herstellungsmethoden zu konkurrieren. Hansford versetzte sich in die Lage eines potenziellen Fertigungskunden und sagte: „Wenn ich Additiv einsetze und den Prozess, mit dem ich diese Teile herstelle, ändere, wenn ich Kompromisse beim Material eingehen muss und der Prozess neu ist.“ , das wird schwierig.“

Trotz dieser Herausforderungen ist Wayland Additive davon überzeugt, dass es den Schlüssel zur Erschließung des Marktes hat. Sie sehen sich nicht in Konkurrenz zur laserbasierten additiven Metallfertigung, sondern suchen nach Anwendungen, die heute nicht lösbar sind. Mit ihrer Vision und ihren Geschäftsprognosen prognostizieren sie einen beschleunigten Wachstumskurs und gehen davon aus, dass sie bis 2030 ein 150-Millionen-Pfund-Unternehmen sein könnten.

Hansford teilte auch mit, wie sein Team mit über 150 Jahren kombinierter Erfahrung in der industriellen Elektronenstrahlfertigung, der Halbleiterindustrie, Hochspannung sowie im Vertrieb und in der additiven Fertigung zum Erfolg von Wayland beigetragen hat. Dieser Erfahrungsschatz war entscheidend für die Bewältigung von Herausforderungen und die Verwirklichung der Unternehmensvision.

Letztendlich liegt der Kern des Fokus von Wayland Additive auf seinem NeuBeam-Prozess, der darauf abzielt, den Elektronenstrahl zu neutralisieren. Es ist dieser Prozess, von dem das Unternehmen glaubt, dass er „einen Wendepunkt bei der Senkung der Baukosten“ darstellen könnte. Mit Blick auf diese zukünftigen Entwicklungen möchte Wayland Additive die Grenzen der additiven Fertigungstechnologie erweitern.

Wie funktioniert NeuBeam?

Peter Hansford erläuterte den Prozess der Herstellung von Teilen mithilfe der EB-Technologie von Wayland Additive und erläuterte detailliert die Vorteile des NeuBeam-Prozesses. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasersystemen, bei denen sich der Laser von Punkt zu Punkt bewegt und dabei Metallpulver erhitzt, was zu einer schnellen Abkühlung und anschließender Materialspannung führt, ermöglicht Waylands Ansatz einen kontrollierteren und modulierteren Abkühlungsprozess und verringert so das Risiko von Rissen in Materialien, die auftreten können schwierig zu verarbeiten, wie Wolfram und die Nickelbasis-Superlegierung Inconel 247.

Die EB-Technologie von Wayland verfügt über ein neutralisiertes System, das die Verwendung des Strahls an mehreren Orten und mehrfach ermöglicht. Tatsächlich können 64 Schmelzbecken gleichzeitig aktiv sein. Dies ermöglicht auch Änderungen in der Kristallstruktur des herzustellenden Teils und trägt so dazu bei, die spezifischen metallurgischen Anforderungen zu erfüllen. Dazu gehört die Fähigkeit, einen Bereich in eine Richtung zu scannen und ihn dann in eine andere Richtung zu scannen, wodurch kleinere Kristalle entstehen und die Struktur aufgebrochen wird.

Hansford betont außerdem die Hinzufügung einer In-Prozess-Überwachung, bei der Hochgeschwindigkeitskameras den Prozess beobachten. Diese Überwachung ermöglicht präzise Temperaturmessungen und liefert Daten über die Wechselwirkung zwischen Strahl und Material. Mit diesen Informationen können Entwickler den Prozess optimieren und neue Parametersätze entwickeln.

Interessanterweise wird das System auch als „offenes System“ beschrieben, das es Benutzern ermöglicht, neue Verarbeitungsparameter zu erkunden, ohne befürchten zu müssen, dass es zu erheblichen Problemen oder Systemausfällen kommt. Hansford gibt ein Beispiel für die Entwicklung von Parametersätzen für Wolfram, ein Prozess, der mit Waylands System erheblich beschleunigt und vereinfacht wurde.

Das In-Prozess-Überwachungssystem trägt zudem dazu bei, die schichtweise Qualitätssicherung sicherzustellen. „Bei der prozessbegleitenden Überwachung gibt es zwei Aspekte. Der eine ist die Qualitätssicherung, der andere die Materialentwicklung und die Prozessentwicklung“, sagte Hansford. Mit Hilfe künstlicher Intelligenz erforscht Wayland in Zusammenarbeit mit Universitäten, was eine „gute Schmelze“ ausmacht.

Zu Waylands Arbeit in diesem Zusammenhang gehört auch das Bemühen, Qualitätssicherungsstandards für die additive Fertigung besser zu verstehen, wiederum in Zusammenarbeit mit Universitäten. Ziel ist es, während des gesamten Baus ein hohes Qualitätsniveau aufrechtzuerhalten und so das Auftreten von Mängeln zu minimieren.

Wie unterscheiden sich verschiedene Metalladditivverfahren?

Im weiteren Verlauf der Diskussion vertieften wir uns in die Feinheiten der additiven Technologien Elektronenstrahl- (EB) und Laser-Pulverbettfusion (LPBF) und verglichen ihre Nuancen in Bezug auf Energieübertragung, Metallurgie, Spannung und Produktivität.

Hansford erläuterte, dass Laser, die aus Photonen bestehen, eine andere Herausforderung bei der Leistungsabgabe darstellen, da ihre Energiemessung nicht einfach ist. Beim Elektronenstrahl hingegen erfolgt die Energieabgabe weitgehend kinetisch, wobei die Partikel aufgewirbelt werden, um ein Schmelzen herbeizuführen. Bei Lasern ist es schwierig, die an das Druckbett abgegebene Leistung oder die Reflektionsfähigkeit des Pulvers zu messen. Mit LPBF sagt Hansford: „Man kann eine Ahnung davon bekommen, wie viel Leistung nach dem Zusammenbau mit den Teilen geliefert wurde und ob sie ausreicht oder nicht.“ Er erklärt, dass der Prozess zwar qualitativ hochwertige Ergebnisse liefert, es jedoch Probleme mit der Veränderung der Laserwerte und der Optik im Laufe der Zeit gibt, was eine präzise Steuerung erschwert.

Hansford hob dagegen die Vorteile der Elektronenstrahltechnologie hervor. Mit Elektronen kann die Leistungsabgabe genau gemessen werden, da Sie die Spannung oben und unten im System erkennen und so verstehen können, wie viel Leistung übertragen wird. Im Gegensatz zu Lasern können Elektronenstrahlen gleichzeitig Energie an mehrere Punkte abgeben, wobei bis zu mehrere Schmelzbäder möglich sind, was eine langsamere und kontrolliertere Abkühlung ermöglicht. Dies macht den Prozess effizient und weniger anfällig für thermische Belastungen, da das Teil während des gesamten Prozesses heiß bleibt. Hansford betonte, dass die Elektronenstrahltechnologie von Wayland sich bei der Herstellung großer, sperriger Teile mit minimaler Belastung auszeichnet.

Trotz ihrer Herausforderungen sind Laser aufgrund ihrer leichten Zugänglichkeit und relativ einfachen Montage weit verbreitet. Ihre Verwendung birgt jedoch Einschränkungen, insbesondere bei größeren Teilen, da das Verfahren eine erhebliche Substratdicke und Anker erfordert, um das Teil an Ort und Stelle zu halten. Diese Teile erfordern dann eine Nachbearbeitung, wie z. B. eine Wärmebehandlung und die Entfernung von Stützstrukturen, was den Zeit- und Kostenaufwand erhöht.

Im Gegensatz dazu benötigt Waylands Prozess weniger Stützen, was zu längeren Abkühlzeiten, aber entspannten, stressfreien Teilen führt. Im Gegensatz zu Lasersystemen führt ihre Methode nicht zu einer großen, festen Masse ungenutzten Materials, dem Pulverkuchen, wodurch erhebliche Zeit- und Ressourceneinsparungen erzielt werden. Hansford gibt an, dass in bestimmten Prozessen bis zu einem Drittel der Bauzeit für das Sintern des Kuchens aufgewendet werden könnte, was Waylands Ansatz zu einer potenziell wirtschaftlicheren Option macht.

Anwendungen der additiven Elektronenstrahlfertigung

Was die Anwendungen angeht, nannte Hansford als Beispiele die Medizin- und Nuklearindustrie. Im medizinischen Bereich können additive Technologien Unternehmen, die Implantate herstellen, einen Kostenvorteil verschaffen. Gelingt es, die Kosten um ein Drittel zu senken und gleichzeitig die Nachbearbeitung zu vereinfachen, bedeutet dies ein erhebliches Einsparpotenzial und ein erhöhtes Potenzial für AM-Prozesse.

Für die Nuklearindustrie stellt die Herstellung von Elementen wie Abschirmungen oder Teilen für Fusionsreaktoren eine spannende Möglichkeit dar. Eine weitere potenzielle Anwendung sind Hochtemperaturschaufeln für wasserstoffbetriebene Turbinen, die mithilfe additiver Verfahren hergestellt werden könnten.

Weitere potenzielle Fortschritte umfassen Keramik für Hyperschall und sogar die Elektrifizierung von Schwerlastfahrzeugen mit einzigartigen Kupferwicklungen für mehr Effizienz. Im Gegensatz zu Lasern, die möglicherweise eine Kupferlegierung erfordern, kann bei der Elektronenstrahlmethode reines Kupfer verwendet werden, wodurch die Leitfähigkeit verbessert wird.

Hansford erläuterte ausführlicher die Bedeutung der Erstinvestition von Longwall Ventures und anderen Investoren. Diese Finanzierung in Höhe von 3 Millionen Pfund war ein wichtiger Wegbereiter, der es dem Unternehmen ermöglichte, seine erste Anlage zu errichten, Calibur – sein Hauptprodukt – zu entwerfen und ein Team darauf aufzubauen.

Die Finanzspritze bot dem Team den nötigen Spielraum, um den Proof of Concept, den sie mit der Finanzierung von Innovate UK entwickelt hatten, in ein kommerzielles Produkt umzusetzen. Der Erlös aus nachfolgenden Finanzierungsrunden – einer 5-Millionen-Pfund-Runde und einer neueren 4,6-Millionen-Pfund-Runde – erleichterte die Ausweitung der Produktion und die Erweiterung auf fünf Anlagen, die jeweils auf ihre unterschiedlichen Bedürfnisse zugeschnitten waren.

Bemerkenswert ist, dass das Unternehmen in verschiedenen Runden das Interesse verschiedener Investoren geweckt hat. Dazu gehören Parkwalk Advisors, Metrea – ein Unternehmen, das sich auf die Beschaffung und Suche von Lösungen für militärische Anwendungen spezialisiert hat – und der National Security Strategic Investment Fund (NSSIF), der Corporate-Venture-Arm der britischen Regierung. NSSIF betrachtet Wayland Additive als strategisch für das Vereinigte Königreich. Zu den Anwendungen gehört der Einsatz im BAE Systems Tempest-Kampfflugzeug, das 2035 in Dienst gestellt werden soll.

NSSIF dient der Regierung als Wissensdrehscheibe für Risikofinanzierung und Dual-Use-Technologie für die nationale Sicherheit und Verteidigung. Die Organisation vereint das Wissen der Regierung, des Sicherheits- und Verteidigungssektors sowie der Technologie- und Risikokapitalbranche.

Metreas Interesse gilt insbesondere der Bereitstellung von Lösungen für das Militär, die von der Betankung von Jets bis hin zur Rationalisierung langwieriger Beschaffungsprozesse reichen könnten. Wie Hansford feststellt, haben die fortgesetzten Investitionen maßgeblich dazu beigetragen, dass Wayland mit der Auslieferung seines Produkts an Kunden beginnen konnte, darunter die britische Royal Air Force (RAF) und Canadian Exergy Solutions, wo das System für Öl- und Gasanwendungen eingesetzt wird. Die Technologie von Wayland ist in naher Zukunft auch für Deutschland und Japan bestimmt.

Hansford geht auf die Herausforderungen des Unternehmens ein und identifiziert Probleme in der Lieferkette, insbesondere Engpässe bei Chipsätzen und Keramik, als Faktoren. Hansford räumt auch ein, dass sich die Plattform, die sich nun in den Händen der Kunden befindet, noch nicht vollständig bewährt hat. „Technisch denke ich, dass wir auf einem guten Stand sind“, sagte er, „jetzt bekommen wir Feedback, und das ist es, was wir brauchen.“ Das Unternehmen geht davon aus, dass die Plattform in den nächsten zwei bis drei Jahren erheblich ausgereift sein wird, da das Unternehmen eng mit den Kunden zusammenarbeitet, um seinen Ansatz an die unterschiedlichen Bedürfnisse anzupassen.

Abschließend betont Hansford, dass es bei Wayland Additive nicht darum geht, die Technologie zu vermarkten, sondern darum, Probleme zu lösen und langfristige Beziehungen aufzubauen. Das Unternehmen ist nicht nur daran interessiert, ein Produkt herzustellen und zu verkaufen; Sie sind daran interessiert, wirkungsvolle Lösungen zu entwickeln und ihren Ansatz auf die Bedürfnisse der Kunden auszurichten. Sie heißen Kunden willkommen, potenzielle Verbesserungen oder Innovationen vorzuschlagen, die für sie von Vorteil wären. Hansford glaubt, dass diese Art von kollaborativem, kundenorientiertem Ansatz den Erfolg von Wayland Additive weiterhin vorantreiben wird.

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Das abgebildete Bild zeigt das Pulverbett des Calibur3. Foto über Wayland Additive.

Michael Petch ist Chefredakteur bei 3DPI und Autor mehrerer Bücher zum Thema 3D-Druck. Er ist regelmäßiger Hauptredner auf Technologiekonferenzen, wo er Vorträge wie 3D-Druck mit Graphen und Keramik und den Einsatz von Technologie zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit gehalten hat. Michael interessiert sich vor allem für die Wissenschaft hinter neuen Technologien und die damit verbundenen wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen.