Foto: Trumpf GmbH & Co. KG

3D Printing

Wie Trumpf hitzebeständige Bauteile verbessert

Trumpf zeigt mit dem 3D-Drucker Truprint 3000, dass sich der hitzebeständige Werkstoff Inconel mit 3D-Druck mühelos bearbeiten lässt.

Schneller, günstiger und in besserer Qualität — so möchte Trumpf hitzebeständige Bauteile mit 3D-Druck herstellen lassen. Hitzebeständigen Materialien bestehen oft aus der Nickelbasislegierung Inconel. Das Material hält Temperaturen von bis zu 1000 °C 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. Gegenüber spanenden Verfahren wie Fräsen oder Drehen verschwendet ein 3D-Drucker 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 bessere 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. 

3D-Druck spart Zeit, Material und Werkzeuge

Der 3D-Drucker Truprint 3000 eignet sich optimal für klassische Anwendungen aus Inconel. Im 40 cm hohen und 30 cm 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 Volkan Dügmeci, Mitarbeiter im Branchenmanagement für Luft- und Raumfahrt bei Trumpf Additive Manufacturing. Mit konventionellen Verfahren ist die Inconel-Bearbeitung mühsam und teuer. Da die Fräser schnell verschleißen, entstehen hohe Werkzeugkosten. Teilweise leidet die Qualität der Bauteile, da die Fräsmaschine bereits verschlissene Werkzeuge nicht erkennt. Außerdem verschwenden Hersteller viel Material. Denn Bauteile aus Inconel wie zum Beispiel Turbinenschaufeln sind meistens komplex. Mitarbeiter müssen oft bis zu 80 % der Rohmasse mit der Fräsmaschine zerspanen, um die Form herauszuarbeiten. Dadurch entstehen mit zirka 100 EUR / kg Inconel hohe Kosten.

Zwei Beispiele, bei denen Trumpf mit 3D-Druck hitzebeständige 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. Dabei fallen hohe Werkzeugkosten an. Außerdem verschwenden Hersteller viel Material. Über 80 % des Rohlings sind Abfall in Form von Spänen. 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 %. 3D-Messungen haben gezeigt, dass der gedruckte Gaskompressor über die gleiche Qualität verfügt wie das Original.

Weniger Kosten und kurze Lieferzeit: Vanes für Flugzeuge

Im Auftrag von Toolcraft hat Trumpf 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 % des Ausgangsmaterials werden dabei zerspant. Hinzu kommen hohe Werkzeugkosten, denn bei Nickelbasislegierungen sind die Werkzeugkosten etwa 40 % höher als bei traditionellen Stählen. 3D-Druck ist hier deutlich effizienter. Die Anlage Truprint 3000 von Trumpf 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 %. Stefan Auernhammer, Bereichsleiter Metall-Laserschmelzen bei Toolcraft, erklärt: „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.“