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Unschlagbar bei hohen Einschweißtiefen

Dr. Thorsten Löwer, Pro-Beam, zum Elektronenstrahlschweißen
„Wir schweißen bis zu 80 Tonnen schwere Teile“

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Dr. Thorsten Löwer ist CTO bei der Pro-Beam Gruppe, München. Bild: Pro-Beam
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Das Elektronenstrahlschweißen ist wenig bekannt, doch in immer mehr Anwendungen im Einsatz. Pro-Beam, nach eigenen Angaben größter Anbieter, wächst schnell. Warum und wo das große Plus dieser Fügemethode liegt, erklärt Dr. Thorsten Löwer, Chief Technology Officer. ❧

Olaf Stauß

Wie funktioniert das Elektronenstrahlschweißen, Herr Dr. Löwer?

Der Elektronenstrahl entsteht wie in einem Elektronenmikroskop, jedoch mit hoher Leistung, und kann Material sehr effizient aufschmelzen. Es ist ein sehr schlanker Strahl. Im Vergleich zum Laser, der mit Photonen arbeitet, ist er nochmal um den Faktor 5 bis 10 besser fokussiert.

Welche Vorteile bringt dies mit sich?

Der Elektronenstrahl schweißt mit großer Leistung sehr präzise. Der Prozess trägt wenig thermische Energie ein und führt zu fast keinem Verzug.

Und im Vergleich zum Laserschweißen?

Im Gegensatz zum Laser können Elektronen nicht reflektiert werden – das ist ein großer Vorteil bei stark reflektierenden Materialien wie Kupfer und Aluminium. Außerdem arbeiten wir im Vakuum ohne teure Hilfs- und Betriebsstoffe wie Schutzgase und können reaktive Metalle wie Titan so schweißen, dass die gefürchtete Sauerstoffversprödung nicht auftritt. Und dann lässt sich der Strahl durch seine fehlende Trägheit extrem schnell und leicht ablenken, was verfahrenstechnische Möglichkeiten eröffnet, die wir zum Beispiel bei metallurgisch schwierigen Schweißaufgaben nutzen.

Macht das Vakuum den Elektronenstrahl noch teurer als den Laser?

Wie das Laserschweißen kämpfen wir gegen den Ruf, sehr teuer zu sein. Doch der Ruf ist schlechter als die Realität. Im Bereich ab 6 kW Leistung, in dem das Elektronenstrahlschweißen interessant wird, ist die Strahlquelle sogar günstiger als beim Laser.

Ab welchen Abmessungen wird Elektronenstrahlschweißen interessant?

Beim Elektronenstrahl fangen die Anwendungen bei fünf Millimeter Blechdicke an und gehen hin zu größeren Einschweißtiefen von über 150 mm. Produkte mit großen Einschweißtiefen sind mit dem Elektronenstrahl am günstigsten zu fertigen.

Was sind typische Anwendungen für das Elektronenstrahlschweißen?

Sie reichen bis zum Halbzeug für die Ariane- Brennstofftanks. 60 bis 70 Millimeter dicke Bleche liefern Walzwerke zum Beispiel nur in einer Breite von drei Metern. Durch Elektronenstrahlschweißen wird daraus eine sechs Meter breite Blechtafel mit durchgehender Qualität, bei der Sie von der Naht nichts merken. Aus solchem Halbzeug wird der Wasserstofftank der zweiten Brennstufe der Ariane 5 gefertigt. In der spanenden Weiterbearbeitung und im späteren Betrieb wird die Naht extrem gestresst – und diese Qualität kann das Verfahren leisten.

Das sind also die Extreme. Wie sehen normalere Anwendungen aus?

Es geht weiter mit komplexen Bauteilen wie in Flugzeuggetrieben und im Apparate- oder Kraftwerksbau bis hin zu kleinsten Bauteilen im Getriebebau, wo bereits gehärtete Synchronräder nur noch geschweißt werden müssen, um dann einbaufertig die Anlage zu verlassen. Auch im Pkw-Antriebsstrang gibt es viele Bauteile, in die Elektroniken eingeschweißt werden müssen und keine Hitze und keinen Verzug erfahren dürfen.

Gibt es eine Faustformel, wann und wo sich das Elektronenstrahlschweißen lohnt?

Zum Beispiel überall dort, wo geschweißte Teile nicht mehr nachbearbeitet werden sollen, etwa Titanbauteile mit präzisem Lagersitz. Oder die erwähnten sensorischen Bauteile, die keine Hitze vertragen. Dies ermöglicht der Elektronenstrahl mit seinem geringen Wärmeeintrag und minimalem Verzug. Großes Potenzial bietet in Zukunft auch die E-Mobilität mit Kupfer als hochreflexivem Material.

Sprechen die Kosten nicht oft dagegen?

Sicher ist es ein teures Schweißverfahren. Die Rechnung geht aber erst beim Betrachten der gesamten Wertschöpfungskette auf. Die Frage stellt sich, was in den vorgelagerten Prozessen eingespart werden kann: Muss ich für ein komplexes Bauteil auf eine große Bearbeitungsmaschine gehen oder kann ich es auch aus kleinen Teilen fertigen, die ich mit dem Elektronenstrahl verzugsfrei verschweiße?

Das Wachstum von Pro-Beam spricht für sich. Nennen Sie uns Zahlen?

Im Jahr 2014 hatten wir 250 Mitarbeiter und der Umsatz lag bei 42 Millionen Euro. Zwei Jahre später waren es 49 Millionen und 300 Mitarbeiter und 2018 dann 53 Millionen Euro Umsatz und 430 Mitarbeiter – wobei wir straff nach Leuten suchen. Zurzeit sind 50 Stellen offen.

Stellen Sie die Pro-Beam Gruppe kurz vor?

1974 wurden wir gegründet. Am Anfang legten wir den Fokus auf die Auftragsfertigung mit dem Schweißen und Bohren durch den Elektronenstrahl. Denn neben dem Schweißen bietet der Elektronenstrahl die Möglichkeit, Oberflächen zu perforieren, etwa um Siebe, Filter oder Schleuderscheiben herzustellen. Später kam Randschichtbehandeln hinzu, da es der Elektronenstrahl auch ermöglicht, Bauteile nur dort lokal zu härten, wo Verschleiß auftritt. Früh haben wir dann begonnen, unsere Anlagen selbst zu modifizieren. Um 2000 mündete dies in den Entschluss, auch Anlagen zu bauen. Im Prinzip reagierten wir auf den Wunsch von Kunden. Seit Mitte 2019 fokussieren wir uns außerdem – speziell für unsere Anlagenkunden – auf das Thema Customer Service. Der Bereich fungiert ab sofort als dritte große Säule unseres Unternehmens.

Wie groß sind die Anteile von Lohnfertigung und Anlagenbau am Umsatz?

Das hält sich die Waage. Wir können heute sagen, dass wir sowohl der größte Lohnanbieter weltweit sind als auch der größte Anlagenhersteller, was Elektronenstrahltechnik anbelangt.

Warum ist das Elektronenstrahlschweißen denn noch so wenig bekannt und geläufig?

Ein Grund ist, dass es – vielfach zu unrecht – immer noch als teure und elitäre Technologie angesehen wird, obwohl sie schon sehr marktdurchdringend ist. Hinzu kommt, dass sie in der universitären Ausbildung so gut wie gar nicht vorkommt. Aus diesem Grund haben wir in den letzten zehn Jahren über unsere Stiftung einige Universitäten gefördert, damit sie sich modernes Elektronenstrahl-Equipment anschaffen konnten. Ein dritter Punkt ist vielleicht, dass wir bisher zu wenig Marketing betrieben haben.

Aber das ändert sich jetzt?

Ja. Während die erste Hälfte der Firmenentwicklung primär technologiegetrieben war, spielt in letzter Zeit die Kundenorientierung eine sehr große Rolle. Wir haben gemerkt, dass wir uns auf den Märkten sehr flexibel bewegen und engagieren müssen mit unserem Vertrieb. Dazu gehören auch begleitende Dienstleistungen, die unser Produkt für Kunden noch attraktiver machen. Diese Aktivitäten haben das Wachstum sehr beflügelt. Inzwischen kommen Kunden direkt auf uns zu und inspirieren selbst Entwicklungen für neue Anwendungen. Der Markt fordert uns.

Wie läuft eine typische Dienstleistung ab?

Idealerweise begleiten wir die Konstruktion beratend, um das volle Potenzial des Verfahrens zu heben. Weiter folgen metallurgische Untersuchungen zum Schweißprozess. Beides zusammen fließt in die Fertigung eines Prototypen ein, der bei Bedarf in eine Serienfertigung mündet.

Wie groß sind die Anlagen, die Sie betreiben und die Sie anbieten?

Das fängt an mit einer Mini-Anlage, so groß wie eine Espresso-Dose, mit der Sie einen automatisierten Single-Workflow für höhere Stückzahlen realisieren können. Und es reicht über größere Anlagen mit parallelisierter Vakuumerzeugung und Schleusensystem bis hin zu Großanlagen. Seit 2004 haben wir die XXL-Variante einer Elektronenstrahlanlage mit einem Kammervolumen von 700 Kubikmeter im Betrieb. Mit ihr können wir bis zu 80 Tonnen schwere Teile bearbeiten. Das ist ein neuer Markt, der bislang nur militärisch existierte. Jetzt aber haben wir Kunden aus dem Schwermaschinenbau, die sich sogar für eine eigene Großanlage interessieren. Sieben dieser Art haben wir schon generiert. Und es gibt weitere Anfragen.



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