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Inconel – Wundermaterial im 3D-Druck

Die Meister-Klasse in Produktdesign und -entwicklung


Insight: Inconel – Wundermaterial im 3D-Druck

Hallo! Es ist Freitag, Zeit also für ein weiteres Insight-Video.

Heute werde ich mit Ihnen über die Superlegierung Inconel 718 sprechen und darüber, welche neuen Möglichkeiten die 3D-Drucktechnologie beim Einsatz dieses Werkstoffs bietet.

Doch zunächst, warum spricht man überhaupt von einer Superlegierung? Ganz einfach: Sie hält extremen Umgebungen stand, in denen andere Metalle es sich schwertun oder ganz versagen würden. Inconel eignet sich für den dauerhaften Einsatz in Anwendungen bei über 600 °C und behält dabei seine Festigkeit und Schlagzähigkeit sowie seine Korrosionsbeständigkeit bei. Außerdem ist es sehr leicht. In diesen Umgebungen würde bei Aluminium und Stahl ein Kriechproblem auftreten, und Kupfer würde einfach wegschmelzen.

Genauso gut eignet es sich bei extrem niedrigen Temperaturen, und es kommt unter kryogenen Bedingungen zum Einsatz, wo es verhindert, dass Teile brüchig werden. Auch hier behält es seine Festigkeit bei.

Dieses Nickel-Chrom-Gemisch ist der wahre Superheld unter den Metalllegierungen.

Sie werden nicht überrascht sein zu hören, dass es breiten Einsatz in Luft- und Raumfahrtanwendungen findet, wo es bis zu 50 % des Gewichts eines Turbostrahltriebwerks ausmachen kann. Es ist der Hauptbestandteil von Scheiben, Schaufeln und Gehäusen im Hochdruckteil des Verdichters und der Scheiben sowie einiger der Schaufeln des Turbinenmotors.

Ohne Superlegierungen wie Inconel wäre die Luft- und Raumfahrttechnik wahrscheinlich nicht so hochentwickelt, wie sie es heute ist.

Doch diese Superlegierung brilliert nicht nur in der Luft- und Raumfahrtbranche, sondern ist auch in der Schwerindustrie ein übliches Material für extreme Umgebungen.

Unsere heutigen Werkstoffe haben sich aus den frühen Superlegierungen der 1940er Jahre entwickelt, als Inconel erstmals hergestellt wurde. Heute ist Inconel 718 die weltweit dominierende Superlegierung. Ihre Festigkeit beruht auf der Fähigkeit, bei Temperaturen von bis zu +704 °C eine dicke und stabile passivierende Oxidschicht aufzubauen, die das Material vor Angriffen schützt und seine gute Zug-, Dauer-, Kriech- und Bruchfestigkeit bewahrt.

Was für ein großartiges Material.

Leider ist es so großartig, dass nur wenig an es heranreichen kann. Es ist dermaßen hart zu bearbeiten, dass teures Werkzeug benötigt wird, das am Rand des Zerspanungseinsatzes sehr hohe Temperaturen erreicht. Dies und die abrasiven Eigenschaften von Inconel führen zu hohen Verschleißraten, Absplitterungen, Kerben und Schneidenbrüchen am Werkzeug.

Werden andere traditionelle Fertigungsmethoden auf Inconel 718 angewendet, müssen oft Abstriche bei den Eigenschaften gemacht werden, die Sie eigentlich bräuchten, um die gewünschten Formen zu erhalten.

Dank der Fortschritte beim 3D-Druck mittels direkten Metall-Lasersinterns, kurz DMLS, brauchen Sie jetzt keine Kompromisse mehr einzugehen. Das heißt auch, dass Sie mit dieser additiven Fertigungstechnologie, bei der eine Reihe sehr feiner Schichten mit einem Laser übereinander aufgetragen und mit der jeweils nächsten Schicht verschmolzen werden, selbst hochkomplexe und -detaillierte Designs entwerfen können, um z. B. Gewicht einzusparen.

Mit dem Verfahren bleiben die mechanischen Eigenschaften von Inconel 718 erhalten, und dank der gerichteten Erstarrung lassen sich damit die Werte von Guss- und Schmiedeteilen aus der Legierung noch übertreffen.

Andererseits ist das DMLS natürlich ein additives Verfahren. Inconel 718 ist nicht billig, und all seine tollen Eigenschaften gibt es nicht umsonst! Beim DMLS landet ein erheblich kleinerer Teil dieses kostbaren Materials im Abfall. Beim schichtweisen Aufbau von endkonturnahen Bauteilen fällt nur etwa 5 % Abfall an. In der Luft- und Raumfahrtindustrie würde man von einem verbesserten „Buy-to-Fly“-Verhältnis sprechen.

Inconel hat natürlich seine Grenzen, genau wie Superman und Kryptonit.

In diesem Fall sind es jedoch geometrische Grenzen, die auftreten, wenn das DMLS zur Herstellung von Teilen verwendet wird.  Gehen wir sie einmal kurz durch.

Als Erstes gibt es eine Mindestwandstärke und eine Mindestmerkmalgröße von 1,0 mm, was eigentlich ziemlich klein ist.

Wenn Sie erhabene Details benötigen, müssen diese mindestens 0,5 mm hoch und breit sein; bei Text und Bildern liegt der Wert bei 0,8 mm.

Bei vertieften Details müssen Sie auf eine Mindesttiefe von 0,5 mm und eine Mindestbreite von 0,6 mm achten; letztere liegt bei Text und Bildern bei 1,00 mm.

Und da das Teil in einer Kammer geformt wird und Stützkonstruktionen braucht, gibt es eine maximale Teilegröße. Bei Protolabs liegt sie bei 245 x 245 x 300 mm.

Diese Einschränkungen variieren von Anbieter zu Anbieter. Deshalb ist es wie immer am besten, mit uns direkt zu sprechen, um herauszufinden, was machbar ist und dann die Optionen abzuwägen.

Wenn es bei Ihrem Teil also „hart auf hart“ kommt, sollten Sie Inconel 718 in Erwägung ziehen. Für viele Anwendungen ist es die Superlegierung der Wahl. Und jetzt, da es sich für den 3D-Druck eignet, können Sie damit fast jedes beliebige Design umsetzen.

Alles klar, das war‘s für diese Woche. Ein schönes Wochenende und bis nächsten Freitag!


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