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Faszination Elektronenstrahl

EB-Schweißen von Großbauteilen und –strukturen

Dr.-Ing. Christian Vogelei, pro-beam Planegg

6. Rostocker Schweißtage, Rostock den 13. November 2013

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Innovative Elektronenstrahlschweißtechnik

II / cvo / 02

• Grundlagen

(EB- Prozesse, Anlagentechnik und Qualitätssicherung)

• Anwendungsbeispiele Großbauteile

(Eisenwerkstoffe, Kupfer und Aluminium)

• ITER

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Prototypen-

fertigung

Vorserie/

Kleinserie Serienauslauf

und

Ersatzteilfertigung

Techn.

Beratung/

Verfahrens-

entwicklung

Standorte

Hauptserie

Spitzenabdeckung

durch pro-beam

Alternativen:

• kundeneigene Anlage

• pro-beam Fertigung

beim Kunden

(Betreibermodelle)

Hauptserie

Ver-

fahrens-

technik

Deutschland

Burg

Unsere Stärken sind Ihr Nutzen

Maschinen- und

Anlagenbau

Deutschland

Neukirchen/Chemnitz

pro-beam Gruppe

Lohnfertigung

Elektronenstrahl- und Laserstrahl-Technologie

(Schweißen, Bohren, Randschicht-Behandlung)

Deutschland Planegg/München,

Burg/Magdeburg, Hasselroth/Hanau

China Suzhou

I / vad / 02

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Die Entdeckung des Tiefschweißens

1958 Tiefschweißen in Zirkalloy durch Steigerwald

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Der leistungsstärkste Elektronenstrahl-

Generator

1980 baute die Universität Osaka einen Elektronenbeschleuniger

mit 300 kW, 600 kV. Schweißtiefen von über 300 mm in Stahl und

500 mm in Aluminium wurden erreicht.

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Großkammeranlagen

Das Paton-Institut in der Ukraine

verfügt über drei Anlagen mit einer

Kammergrößen bis zu 400 m³.

1985 entwickelten die Firmen NIAT

und PEWI die bisher größte Anlage

der Welt für die Kazan Flugzeug-

werke mit einem Turm von

4 x 10 x 12 m³ und zwei

Seitenkammern von 17 x 4 x 4 m³.

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Wirkung des Elektronenstrahls

Rückstreuelektronen

thermische Wirkung im Werkstück

Röntgenstrahlung

Energiedichte:

>106 W/cm² (109 W/cm²)

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Elektronenstrahl (EB)-Erzeugung

Schema

Kammeranlage mit EB-Generator

Strahlquelle mit Kathode,

Wehneltzylinder und

Anode

Fokus Linse

Zentrier- und

Stigmatisier Einheit

Werkstüc

k

Manipulator

x-y Ablenkspulen

Sensor Platten

I / cvo / 01

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< 10-4 mbar

< 5 x 10-4 mbar

Hochvakuum-Anlage Atmosphären-Anlage

< 10-4 mbar

< 5 x 10-2 mbar

< 10 mbar

> 1000 mbarFeinvakuum-Anlage

< 10-4 mbar

< 5 x 10-2 mbar

Form und Fokus des Elektronenstrahls hängen stark von der Qualität des

Vakuums ab:

Elektronenstrahl Qualität

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Maschinenkonzepte

I / ucl / 04

Kammer-Maschine Schleusen-Maschine Schleusen-Rundtakt-Maschine

Takt-Maschine

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Kammeranlage mit 20 m³ Volumen für

Bauteile bis 5 to Stückgewicht

Elektronenstrahl-Anlagen

„mittelgroße“ Maschinen in der Lohnfertigung

Kammeranlage mit 8,5 m³ Volumen

Kammeranlage mit 19 m³ Volumen Kammeranlage mit 23 m³ Volumen

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Kammervolumen: 630 m³

Strahlleistung: 40 kW

Beschleunigungsspannung: 80 kV

Bauteildurchmesser

radial 5,5 m

axial 6,0 m

Max. Werkstückgewicht 50 t

Elektronenstrahl-Anlagen

„große“ Maschinen (2x) in der Lohnfertigung

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Großkammeranlage

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Dokumentation der Schweißnahtqualität

Zertifikate

DIN EN ISO 9001:2000

ISO/TS 16949:2002 Automotive

DIN EN 9100 Luft- u. Raumfahrt

DIN EN ISO 3834 (DIN EN 729)

QS-Schweißbetrieb

HP0 Druckbehälter

DIN EN 15085 (DIN 6700) Bahn

Zertifizierte Bediener von

mechanisierter Schweißeinrichtung

nach DIN EN 1418 für EB-Anlagen

Schweißanlagen abgenommen

nach DIN EN 14744

Zertifiziertes Prüfpersonal nach

DIN EN 473 für … Verfahren, Stufe…

Verfahrensprüfungen

z.B. für die Schifffahrt sind

Verfahrensprüfungen

notwendig

Prozess wird anhand von

Musterteilen bzw. Dummy-

Teilen untersucht und

abgenommen

Prüfberichte

werden regelmäßig zu

Produktionsaufträgen im

Fertigungsbereich ausgefüllt

Statistische ProzesskontrolleProduktionsergebnisse und

Prüfberichte werden ausgewertet

Produktionstrends geben z.B.

Aufschluss über anzupassende

Wartungsintervalle oder

Veränderungen der Lieferqualität

schnelles Eingreifen und

Gegensteuern

bzw. Korrigieren möglich

welded Injector ISSproduction chart 2007

31.743

39.321

49.564

41.656

37.112

32.035

34.454

37.660

16.835

5,19% 4,27%

7,90%5,19%

2,43% 3,00%4,58%

12,37%

1,70%

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

jan

feb

mar

apr

may

jun jul

aug

sep

throughput

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

scrap rate

throughput scrap rate

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Linse

Ablenker

Sensor-

platte

e-b

eam

Rückstreuelektronen

pro-beam

Auflösung:

7µm

Signal Kontrast:

1:15000

Qualitätssicherung

Rückstreuelektronen zur Werkstückbeobachtung

Lichtoptischer Einblick Elektronenoptischer Einblick.

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Linse

Ablenker

Sensor-

platte

e-b

eam

Rückstreuelektronen

ELO-Online

Elektronenoptische

Beobachtung während

des Schweißens

Online-ELO Schweißnahtbetrachtung mit manueller Nachführung

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Technik zum Prüfen der Schweißnähte

RöntgenSchliffe Ultraschall

Optisch

Wirbelstrom

Dichtigkeitsprüfung, Magnetprüfung, Farbeindringprüfung, …

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Linse

Ablenker

Sensor-

platte

e-b

eam

Rückstreuelektronen

Qualitätskontrolle

Beurteilung der Schweißnahtqualität anhand der Decklage

Hole

Slope

Slope

I / cvo / 01

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„Konventional“

• Bauteil mit kleiner Öffnung für

optimale Wurzelausbildung

• „V“-Fugenvorbereitung

• Mit Zusatzwerkstoff

„Strahlgeeignet“

• Werkstück ohne Spalt

(technischer „Null-Spalt“)

• Parallele Fugenvorbereitung

• Schweißen in der Regel ohne

Zusatzwerkstoff

Nahtvorbereitung

„Konventional“ versus „Strahlgeeignet“

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Maßtoleranzen, Spaltbreiten, Passungen

Quelle:

NA 092 Normenausschuss Schweißtechnik

(NAS)

NA 092-00-15 AA Arbeitsausschuss

Elektronenstrahlschweißen (DVS AG V 9.1)

E-Mail des Bearbeiters im DIN:

holger.zernitz@din.de

DVS-Merkblatt 3201 2001-10

Je kleiner der Spalt, je besser ist

die Vorraussetzung für ein

hochwertiges Schweißergebnis.

Ziel ist es, einen Spalt <0,2mm zu

erreichen.

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Drahtzuführung

Werkstückbewegung

Elektronenstrahl

SchweißnahtZusatzwerkstoff

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Stirnflächenvorbereitung

Anforderungen :

• Metallisch blank

• Frei von Fetten, Ölen und Kühl-, Schmiermitteln

• Frei von Werkstoffschichten (Aufkohlen, Nitrieren, Eloxieren,

• Phosphatieren, Chromatieren usw.)

• Oberflächengüte: Rauigkeit Ra < 3,2 µm, Spanende Bearbeitung

• Höhendifferenz zwischen den Schweißteilen je nach

Anforderung der Schweißaufgabe bis zu 2 mm (Kantenversatz)

• Parallele Fügekanten

• Werkstücke müssen unmagnetisch/entmagnetisiert sein (<10-4 Tesla (1 Gaus))

a > 3 x t

a

t

zum EB-Schweißen

vorbereitete Oberfläche

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pro-beam application center Europe

Montagelinie für Großbauteile

I /cvo/01

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Einsatz der Elektronenstrahltechnik

Alternativen?

Check für den Einsatz der Elektronenstrahltechnik:

• Ist für den Werkstoff oder die Werkstoffkombination das Schweißen im

Vakuum zwingend erforderlich?

• Gibt es keine geeigneten Zusatzwerkstoffe am Markt?

• Ist das Elektronenstrahlschweißen für die Herstellung vorgeschrieben,

weil die Bauteile entsprechend qualifiziert und nur in Verbindung mit

dem Verfahren freigegeben worden sind?

• Lässt sich der tolerierte Verzug nur durch den Einsatz eines

Strahlschweißverfahrens erreichen?

Elektronenstrahltechnik ist zwingend erforderlich.

I / cvo / 01

© pro-beam / 25

EB/UP im Vergleich

EB UP

Anzahl der Lagen: 1 157

Schweißzeit pro Meter [min]: 8,3 314

Zusatzwerkstoff/ Meter [kg]: 0 32

Fazit:

• je teurer der Werkstoff

• je größer Wandstärke und Nahtlänge

umso größer der wirtschaftliche Vorteil

beim Elektronenstrahlschweißen

EB-Naht

1 Lage

UP-Naht (1-Draht)

157 Lagen

150 mm Tiefschweißung

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Elektronenstrahl / Lichtbogen im Vergleich

Je größer die Schweißtiefe, je länger die Naht, umso wirtschaftlicher ist das Elektronenstrahlschweißen

I / cvo / 01

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Stahl, 150 mm

Aluminium, 40 mmBronze/Stahl, 30 mm

Kupfer, 35 mm Edelstahl, 2 mm

Alle hier dargestellten Schweißungen wurden auf derselben Maschine mit einem

30 kW Strahlerzeuger hergestellt.

Elektronenstrahl-Anlagen

sind „wide-range“ Maschinen

© pro-beam / 28

Der Elektronenstrahl ist das ideale Werkzeug für viele Branchen

Bauteilespektrum: „mittelgroße und

große Bauteile“

I / cvo / 01

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Kohlefaserwerkzeuge aus Ni36 für Stringer

(Airbus)

• Reduzierung des mechanischen Bearbeitungsaufwands; vakuumdichte

Verschweißung von Plattenmaterial; Einsparung von Zerspanungsvolumen

• Bauteilabmessungen:

1000…12000mm x 1000mm Formgrundfläche, ca. 400mm hoch.

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Aufbau

Vorrichtung

• Zur mech. Vorbereitung wird ein Fräsgestell verwendet

• Fräsgestell kann als Schweißvorrichtung verwendet werden

• Verspannen der waagerechten Bleche über Anschläge mittels Schrauben

• Kunde verwendet diese Vorrichtung für die spätere Form

II /rra/ 01

© pro-beam / 31

Schweißergebnis

Längstnaht: I- Stoß, 1000mm Länge

Schweißtiefe: te= 25mm

Oberraupe:

Gleichmäßig geschuppt ohne

Kerben, lose Spritz

Zusätzlicher Benefit für den Kunden:

Verzugsarmes verschweißen der Bleche

mittels EB- Stichnähte direkt auf den

Unterbau (keine WIG- Kehlnähte!).

Schweißtiefe: te= 20+5mm

II /rra/ 01

© pro-beam / 32

Legewerkzeuge für Kohlefaserprofile

I /tga/01

Bauteilabmessungen:

• Länge 10.235mm, Breite 1.200mm, Höhe 422mm

• Blechstärken 20 und 25mm

Eckdaten:

• Ni36 (1.3912)

• 8 Verbindungsnähte quer, 4 Verbindungsnähte

längs, 206 Stichnähte quer/längs

• Gesamtlänge Schweißen etwa 65m

© pro-beam / 33

Legewerkzeuge für Kohlefaserprofile

Material INVAR (1.3912)

I /tga/01

Material INVAR (Ni 36)

Schweißtiefen 25mm und 33mm

Ausführung I-Stöße und Stichnähte

Anforderung porenfreie Oberflächen

nach Endbearbeitung

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EB-Schweißen an Grundplatten für

Silizium-Reaktoren

Werkstoff: X2CrNiMo17 12 2

Schweißtiefe: von 25 bis 35 mmDurchmesser Grundplatte: 1750 mm

Durchmesser der Buchsen: 86 / 105 mm

Anzahl der Buchsen: ca. 35

II /jse/ 01

© pro-beam / 35

EB-Schweißen von Duplex

III/ iwi / 01

Siphontrommel

Werkstoff: 1.4539 / 1.4462

Schweißtiefe: 40 mm

© pro-beam / 36

EB-Schweißen von Duplex

I /ari/01

*depending on basis material properties, **should be adapted to the welding task

Ferrit

Content

[%]

High tensile

strength

High impact

toughness

(RT)

High Impact

toughness

(<<RT)

corrosion

stability

ASTM G48

porosity

Annealing 50/50 ok ok ok ok ok

EB welding >80* ok ok not ok ok/not ok* ok

EB welding + Heat

adjustment (vs– fit,

multibeam,preheat)

80-65 ok ok ok* ok* ok

EB-seam-alloy

by nickel – filler

50/50 ok** ok ok ok** ok

Einfluss verschieden Vorgehensweisen:

© pro-beam / 37

Anwendungsbeispiele

Planetengetriebe (Feinkorn- an Vergütungsstahl)

Aufgabe : Herstellung eines Planetengetriebe für

Windkraftanlage mit rmpEingang =18 ; M=3Mio Nm,

i=31,7, Gewicht 22 t;

nicht größer als Ø2500 mm, L=1600 mm,

robust so daß Lebensdauer von 20 Jahren

erreicht wird.

Lösung : Materialkombinationen S355J2+N/S690/31CrMoV9,

groß-modulige Gradverzahnung

Einschweißtiefe : zwischen 40, 60, 80 mm (axial und radial)

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Anwendungsbeispiele

© pro-beam / 39

Härten von Zahnrad für Planetengetriebe

Aufgabe : Härten der Flanken Rad 1 m=20, Ø 700

Rad 2 m=14, Ø 800 auf 56+2 HRC mit Eht =1-1,5 mm

Werkstoff : 31CrMoV9V

Härte/ -tiefe : 56-57 HRC, 1,2-1,3 mm

Anwendungsbeispiele

© pro-beam / 40

Material: GS12CrMo19.5 (Gehäuse)

10CrMo910 (Ring)

Durchmesser: 2.710 mm

Schweißtiefe: 60 mm

Instandsetzung von Stahlgussteilen

Beispiel: Leitschaufelträger Gasturbine

© pro-beam / 41

Material: ASTM A148 Grade 80-40

(GS 20Mn5V)

Schweißtiefe EB: 120 mm, gesam. 240 mm

EB-Schweißen einer Turbinennabe in

Kombination mit UP- Engspaltschweißen

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Anwendungsbeispiele

Kryobehälter aus Cu-OFE

> Schweißtiefe: 12 mm als Durchschweißung mit freier Wurzel

> 3 Radial- und 2 Längsnähte am Bauteil

> keine Vorwärmung, kein Zusatzwerkstoff

Oberraupe

ca. 2500 mm

ca.

Ø1400 m

m

Bauteil in Gesamtansicht

Querschliff ungeglättete Naht

Oberraupe mit Glättnaht

I / ari / 01 (neutrino experiments at IFN in Italy)

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Kupferplatten für Bodenanoden von

Schmelzöfen für die Stahlindustrie

Kupferbodenanode Hilgefort/SMS

Paralellisierung Montage und EB-

Schweißen durch Einsatz von 3

Paletten im Umlauf

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Produktion von Solar Panels

Quelle: Applied Materials

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Produktion einer Aluminium-Vakuumkammer

© pro-beam / 46

EB-Schweißen von Al-Rahmen für eine

Reaktorkammer

•Material: AlMg4,5Mn0,7

•Dimensionen: 3mx3m 440mm height

Anfoderungen:

Vacuum dichte Naht

Geringer Verzug

II /rra/ 01

Schweißnahtwurzel mech.

entfernt

Schweißtiefe

120mm

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Beispiel AMAT - Vakuumkammern

III / iwi / 01

© pro-beam / 48

Tank des Haupttriebwerkes und der oberen Stufe der Ariane 5 (rechts) aus Aluminium

Elektronenstrahl-Schweißen

1. Schweißung 2. Gegenlage

© pro-beam / 49

Energie der Sonne

H³+H²=He+n →

E=17,6 MeV

Potential: Photovoltaic ~1,4 kWh/m²

Wind 3,0x 10-6kWh/10g Kohle 0,12kWh/10g

Nuclear 2,3x 105 kWh/10g Fusion 1,8x 106 kWh/10g

© pro-beam / 50

Der ITER Torus mit einem Durchmesser von 42 m

Tokamaks

ITER Standort in Cadarache

(Frankreich)

Die 7 Partnernationen zur

Herstellung von ITER

© pro-beam / 51

ITER Vakuum Behälter

ITER Plasmabehälter (Gewicht ~5000t)Der Torus des Vakuumbehälters

wird aus 9 Sektoren hergestellt.

7 werden in Europe hergestellt

2 werden in Korea hergestellt.

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Spezifikation der Sektoren

Doppelwandstruktur aus:

60mm dickem 316LN(IG).

Abmessungen: 11x7m

Gewicht: ~450t

Toleranz entlang der Seiten

des Sektors: < 5mm

Der Vakuumbehälter ist eine komplette

Schweißkonstruktion die ausgelegt ist für:

- 24bar Wasserkühlung

- Extreme Magnetkräfte die durch schnelle

Schaltprozesse im Reaktor.

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Erste Herstellungsstudie welche ein

Engspalt-WIG-Verfahren vorsah

14 Jahre Entwicklung der Herstellmethoden

Design der Vorrichtung

zur Verzugsminimierung.

© pro-beam / 54

Erste Demonstratoren

Die “ housings” als

EB-Konstruktion

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Herstellung der

Sektoren aus

endbearbeiteten

Modulen

Erstes Elektronenstrahl-Design

Das EB-gerechte Design

erlaub die parallele

Fertigung der Segmente und

reduziert in erheblichem

Umfang den Verzug.

© pro-beam / 56

links und oben:

Erster EB-Demon-

strator produziert bei

pro-beam

rechts:

Demonstrator in

Originalabmessung

produziert von DCNS

EB-Schweißtechnologie

© pro-beam / 57

EB- Schweißtechnologie

Die Schweißparameter mussten für die unterschiedlichsten Schweißaufgaben

ermittelt werden.

© pro-beam / 58

A

B

C

D

E

F

Die EB Schweißnähte müssen den französischen nuclear code RCC-MR erfüllen.

EB-Schweißtechnologie

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Entscheidung der Fertigungsmethoden

Beispiel für einen

Schweißplan:

Oberes Segment

Gesamtzahl der

einzelnen Schweiß-

nähte pro Sektor

= 1574

Anzahl der EB-Nähte

= 380

Gesamtlänge der

EB-Nähte pro Sektor

= 600m

© pro-beam / 60

Mock-Ups

© pro-beam / 61

Mock-Ups

Produktion

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Betriebsvalidierung

Mock-Ups

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Mock-Ups und finale Produktion

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EB-Schweißmaschine

Strahlleistung: 30kW

Spannung: 80kV

Schweißgeschwindigkeit: bis zu: 5 mm/s

Vakuum: 3 x 10-2 mbar

Querschnitt: 120 mm

Toleranz: 1 mm

Produktion von Teilen für den Magneten (ITER)

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Produktion von Teilen für den Magneten (ITER)

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Innovative Elektronenstrahlschweißtechnik

II / cvo / 02

• Geringe Wärmeeinbringung (Verzug, Schrumpfung, Wärmeeinflusszone)

• geringe Temperaturbelastung der Bauteile, Schweißen von endbearbeiteten Teilen

• Unterschiedliche Werkstoffkombinationen schweißbar

• hoher Automatisierungsgrad, Kostenvorteil bei der Bearbeitung

dickwandiger Bauteile

• Einfache Parameterermittlung, Dokumentation und Langzeit-Stabilität

• ITER, Vorteile durch EB:

Erreichung der notwendigen Genauigkeit

Einhaltung des ambitionierten Terminplans 2014 – 2017, erstes Plasma 2020!