3D-Druck, Bild: Protolabs

3D-Druck eignet sich für Geometrien, die nicht mit konventionellen Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Bild: Protolabs

Durch die wachsende Nachfrage erweitern Fertigungsdienstleister wie Protolabs ihr Materialangebot regelmäßig, wie beispielsweise durch Inconel 718, die hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis, die sich hervorragend für die Luft- und Raumfahrt sowie die Schwerindustrie eignet.

Inconel 718,  Bild: Protolabs
Inconel 718 wird vor allem wegen der Festigkeit sowie Hitze- und Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Bild: Protolabs

Doch der Reihe nach: Das direkte Metall-Lasersintern (DMLS) ist ein industrielles 3D-Druckverfahren zur Produktion voll funktionsfähiger Metallprototypen und Serienfertigung aus Metall. Das Verfahren ist schnell und kostengünstig und eignet sich für anspruchsvolle Geometrien, die nicht mit konventionellen Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Somit ist DMLS zum Beispiel für Sonderanfertigungen wie medizinische Implantate oder Sonderlösungen im Maschinenbau, die Prototypenherstellung von Blechteilen, Gehäusen und Vorrichtungen sowie die Fertigung von Ersatzteilen gut geeignet. Das DMLS-Verfahren läuft wie folgt ab: Der Prozess wird gestartet, indem die Bauplattform in die Baukammer hineingelegt wird. Eine erste Materialschicht wird aufgetragen und mithilfe eines Lasers ausgehärtet. Nachdem der Laser die erste Schicht aufgeschmolzen hat, wird eine zweite Pulverschicht aufgetragen; der Laser fängt anschließend wieder mit der Aufschmelzung an. Dies wird mehrere tausend Mal wiederholt, bis das Bauteil fertig ist.

DMLS-Werkstoff: Superlegierung Inconel 718

Als Werkstoff für DMLS ist Inconel 718, eine hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis, besonders gut geeignet, da es extremen Umgebungen und hohen Temperaturen standhält. Wo bei Aluminium und Stahl Kriechprobleme auftreten würden, sind diese Bedingungen für das widerstandsfähige Material kein Problem. Die Nickel-Chrom-Legierung kann bei Temperaturen zwischen -252 und 704 Grad Celsius verwendet werden. Ihre Hochtemperaturfestigkeit entsteht dadurch, dass sie bei hohen Temperaturen eine dicke, stabile passivierende Oxidschicht aufbaut, die das Material vor Schäden schützt. Darüber hinaus weist Inconel eine gute Zug-, Ermüdungs-, Kriech- und Bruchfestigkeit auf. Zudem ist der Werkstoff besonders kostengünstig und leicht. Dadurch eignet sich Inconel 718 für die Luft- und Raumfahrtindustrie, beispielsweise bei der Produktion von Turbinenteilen, Düsentriebwerken und Raketentriebwerkskomponenten.

 

Doch auch bei Maschinen in der Schwerindustrie, die extremen Umgebungen ausgesetzt sind, bietet der Werkstoff durch seine Eigenschaften Vorteile. Hier sind beispielsweise Gasturbinen- und Instrumententeile, energie- und prozesstechnische Komponenten sowie Rohrleitungen und Ventile zu nennen. Teure Werkzeuge, Materialverlust und die Anfälligkeit für metallurgische Mängel macht die Maschinenbearbeitung von Inconel 718 oftmals schwierig. Im Gegensatz dazu treten beim Metall-3D-Druck keine Probleme auf. Auch bei komplexen Designs werden hervorragende Ergebnisse erzielt. Die mechanischen Eigenschaften von Inconel 718 bleiben bestehen – mithilfe gerichteter Erstarrung werden die Werte von Guss- und Schmiedeteilen, die mit dieser Legierung gefertigt werden, sogar noch verbessert. Auch bei Protolabs ist Inconel 718 seit Kurzem verfügbar und ergänzt damit die anderen DMLS-Werkstoffe Aluminium, Warmarbeitsstahl, Edelstahl und Titan.

DMLS in der Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrttechnik ist auf Konstruktionen angewiesen, die belastbar sind und nur einen geringen Gewichts- und Platzbedarf haben. Die DMLS-Fertigung hat bei der Entwicklung eines Flugobjekts mit E-Antrieb und einem Propellergetriebe, das horizontal wie auch vertikal funktioniert, eine wichtige Rolle gespielt. Das Unternehmen Isar Getriebetechnik stand vor der Herausforderung, die gesamte Einheit so zu konstruieren, dass diese schwenkbar schmierbar war. Um diese Herausforderung zu meistern, konstruierte das Unternehmen ein feinadriges Kanalsystem mit Öl-Austrittsdüsen, das per Pumpendruck transportiert wird. Zuerst wurde die Lösung im 3D-CAD-System dargestellt; anschließend musste ein belastbarer Prototyp hergestellt werden.

Schnelle Fertigung mit 3D-Druck bei Protolabs. Quelle: ke NEXT TV

Viele Stellen der komplexen Geometrie waren mit Fräsern nur schwer erreichbar, sodass die Fertigung mit konventionellen CNC-Verfahren ausschied. Mit Protolabs fand das Unternehmen einen 3D-Fertigungsdienstleister, um den Prototyp im Metallsinterverfahren herzustellen. Vor allem die Schnelligkeit der Angebotserstellung und Auftragsdurchführung in 15 Werktagen beeindruckten Dr. Albert Wimmer, den Geschäftsführer von Isar Getriebetechnik. Die ersten Prototypen ermöglichten dem Unternehmen wichtige Erkenntnisse für die weitere Entwicklung des futuristischen Flugobjekts. Die Beispiele aus den Bereichen Luft- und Raumfahrttechnik und Schwerindustrie zeigen, welche vielfältigen Möglichkeiten der Metall-3D-Druck bietet. aru

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