Inconel hält Temperaturen von bis zu 1000 Grad stand, ohne sich zu verziehen. Zum Einsatz kommt der Werkstoff zum Beispiel bei Gasturbinen, Verbrennungsmotoren oder Heizgeräten. Allerdings lässt sich Inconel mit konventionellen Verfahren nur mühsam bearbeiten. Fräswerkzeuge bleiben darin oft stecken, brechen ab oder werden stumpf. Auf der EMO 2019 präsentierte Trumpf, wie sich Bauteile aus Inconel mit 3D-Druck schneller, günstiger und in besserer Qualität herstellen lassen.
3D-Druck mit Inconel spart Zeit, Material und Werkzeuge
Gegenüber spanenden Verfahren wie Fräsen oder Drehen verschwendet ein 3D-Drucker nahezu kein Material, da er nur so viel Pulver aufschmilzt, wie es das Bauteil erfordert. Manuelle Nacharbeit ist kaum nötig, wodurch die Werkzeugkosten erheblich sinken. Außerdem erzielt der 3D-Druck eine sehr gute Qualität, da sich komplexe Formen einfach umsetzen lassen. Innenliegende Kühlkanäle, die die Leistung und Lebensdauer der Bauteile steigern, lassen sich einfach herstellen.
„Hitzebeständige Materialien spielen in vielen industriellen Branchen eine tragende Rolle, etwa in der Luft- und Raumfahrt oder in der Energiebranche. Mit unseren gezeigten Anwendungen auf der EMO möchten wir Unternehmen aus diesen Bereichen dazu ermutigen, in die Technologie einzusteigen“, sagte Volkan Dügmeci, Mitarbeiter im Branchenmanagement für Luft- und Raumfahrt bei Trumpf Additive Manufacturing.
Der 3D-Drucker Truprint 3000 eignet sich optimal für klassische Anwendungen aus Inconel. Im 40 Zentimeter hohen und 30 Zentimeter breiten zylinderförmigen Bauraum lassen sich mehrere Teile gleichzeitig fertigen. Außerdem verfügt die Anlage über Lösungen zur automatischen Qualitätssicherung, etwa Powder Bed Monitoring oder Melt Pool Monitoring. „In Branchen mit hohen Sicherheitsvorschriften wie der Luft- und Raumfahrt ist das ein wichtiger Mehrwert“, sagte Dügmeci.
Mit konventionellen Verfahren ist die Inconel-Bearbeitung mühsam und teuer.
Da die Fräser schnell verschleißen, entstehen bei der Bearbeitung von Inconel hohe Werkzeugkosten. Teilweise leidet auch die Qualität der Bauteile, da die Fräsmaschine bereits verschlissene Werkzeuge nicht erkennt. Außerdem verschwenden die Hersteller durch die Zerspanung viel Material. Denn Bauteile aus Inconel wie zum Beispiel Turbinenschaufeln sind meistens komplex. Mitarbeiter müssen oft bis zu 80 Prozent der Rohmasse mit der Fräsmaschine zerspanen, um die Form herauszuarbeiten. Dadurch entstehen mit zirka 100 Euro pro Kilogramm Inconel hohe Kosten.
Zwei Beispiele, bei denen Trumpf mit 3D-Druck Inconel-Bauteile verbessert hat
Laufräder für Gaskompressoren: Trumpf zeigte auf der EMO ein 3D-gedrucktes Laufrad für einen Gaskompressor aus Inconel, der im Antrieb von Postdrohnen und Modellflugzeugen sowie bei kleineren Turbinen zum Einsatz kommt. „Das Laufrad zeigt beispielhaft, wie wir die Stärken des 3D-Drucks bei der Inconel-Bearbeitung ausspielen können“, sagte Projektleiter Andreas Margolf von Trumpf Additive Manufacturing. Die konventionelle Herstellung ist zeit- und ressourcenaufwendig. Insgesamt dauert es acht Tage, das Bauteil aus dem Inconel-Block herauszufräsen und es nachzubearbeiten.
Trumpf hat den Herstellungsprozess mit dem 3D-Drucker Truprint 3000 verbessert. Die Anlage baut drei Laufräder auf einer Plattform gleichzeitig auf. Inklusive Nacharbeit beträgt die Herstellungszeit pro Stück nur noch vier Tage. Da die Fräsmaschine nur noch bei der Nacharbeit erforderlich ist, reduziert sich der Materialverlust auf weniger als 20 Prozent. 3D-Messungen haben gezeigt, dass der gedruckte Gaskompressor über die gleiche Qualität verfügt wie das Original.
Vanes für Flugzeuge: Im Auftrag der MBFZ Toolcraft GmbH wurde ein Leitschaufelsegment für Flugzeuge, auch Vane genannt, für den 3D-Druck optimiert. Das Bauteil sitzt im Antrieb und leitet Luft- und Abgasströme weiter. Es besteht aus 16 gebogenen Schaufelblättern, die kreisförmig um eine Achse herum angeordnet sind. Aufgrund der komplexen Geometrie des Ringraums dauert der Zerspanprozess 15 Stunden.
Die Mitarbeiter müssen aufwendig programmieren, damit die Fräsmaschine die Schaufelblätter des Vane erreicht. Erst nach drei Bearbeitungsdurchgängen ist die Form herausgearbeitet. 85 Prozent des Ausgangsmaterials werden dabei zerspant. Hinzu kommen hohe Werkzeugkosten, denn bei Nickelbasislegierungen sind die Werkzeugkosten etwa 40 Prozent höher als bei traditionellen Stählen. 3D-Druck ist hier deutlich effizienter.
Die Truprint-3000-Anlage baut sechs Vanes in einem Durchgang auf. Die Druckzeit beträgt pro Stück nur noch sechs Stunden. Nacharbeit an der Fräsmaschine ist kaum noch erforderlich. Aufgrund der geringeren Werkzeug- und Materialkosten reduzieren sich die Gesamtkosten um 20 Prozent. Stefan Auernhammer, Bereichsleiter Metall-Laserschmelzen bei Toolcraft, schätzt die Vorteile des 3D-Drucks vor allem bei Ersatzteilen und Kleinserien. „Bei schwer zerspanbaren Materialien wie Nickelbasislegierungen geht der Trend dahin, dass konventionell gefertigte Ersatzteile in der Regel teurer werden, während die Kosten für gedruckte Teile immer weiter sinken. Außerdem können wir schneller liefern, was für den Kunden oft entscheidend ist.“
Das Vane lässt sich mit 3D-Druck weiter verbessern. Es ist zum Beispiel denkbar, Hohlstrukturen in die Schaufelblätter einzubringen, um damit die Kühlwirkung des Bauteils zu erhöhen.
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