Nickellegierungen haben aufgrund ihrer thermischen und mechanischen Beständigkeit sowie ihrer Korrosionsbeständigkeit im 3D-Druck an Bedeutung gewonnen. Diese Eigenschaften machen sie zur idealen Wahl für die Herstellung von Hochleistungsteilen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Medizin sowie Öl und Gas. Ihre Fähigkeit, extremen Bedingungen zu widerstehen, und ihre Kompatibilität mit der additiven Fertigung ermöglichen die Herstellung komplexer, hochspezialisierter Bauteile. In diesem Leitfaden gehen wir auf die Eigenschaften von Nickellegierungen, ihre Vorteile beim 3D-Druck, die wichtigsten Anwendungen und die Hersteller in der Branche ein.
Materialeigenschaften
Die in der verarbeitenden Industrie verwendeten Nickellegierungen werden aus Nickelerz gewonnen. Dieses Material kommt in der Natur in Erzen wie Pentlandit, Limonit und Garnierit vor, aus denen es durch groß angelegte Abbauverfahren gewonnen wird. Nach der Gewinnung durchläuft das Erz verschiedene Raffinationsstufen, um hochreines Nickel zu erhalten, das als Grundlage für die Herstellung spezifischer Legierungen dient.
Eine Nickellegierung in Pulverform. (Bild: Guangzhou Sailong AM Co.)
Einige der bekanntesten Legierungen in der Industrie sind nach den Unternehmen benannt, die sie patentiert haben. Zu den häufigsten gehören:
- Inconel®: Es handelt sich um eine Familie von Superlegierungen auf Nickel-Chrom-Basis mit ausgezeichneter Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit. Die führenden Legierungen sind Inconel 625 und Inconel 718, wobei der Hauptunterschied in der Zusammensetzung besteht. Während die erste Legierung etwa 58 % Nickel sowie einen hohen Anteil an Chrom, Molybdän und Niob enthält, weist die zweite Legierung eine ähnliche Nickelbasis auf, jedoch mit mehr Eisen, weniger Molybdän und einem erheblichen Anteil an Niob, Aluminium und Titan.
- Hastelloy: Eine Legierung aus Kobalt, Chrom, Nickel und Molybdän mit extremer Korrosionsbeständigkeit in sauren und chemischen Umgebungen. Hastelloy® X ist eine austenitische Legierung mit geringen Anteilen an Kobalt, Molybdän und Wolfram, die eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aufweist und sich daher ideal für Düsentriebwerke und Industrieöfen eignet.
- HAYNES®: Eine Familie von Superlegierungen auf Nickelbasis, die von Haynes International entwickelt wurde, einem Unternehmen, das sich auf Hochleistungswerkstoffe für Anwendungen unter extremen Bedingungen spezialisiert hat. Zu den beliebtesten gehören 230, 282 und 214, die alle für ihre hohe Wärmebeständigkeit und strukturelle Stabilität bekannt sind.
Neben den drei genannten gibt es noch weitere wie die Monel-Legierung (Nickel-Kupfer-Basis), die Kovar-Legierung (Nickel-Eisen-Kobalt) oder die Invar-Legierung (Nickel-Eisen 36%). Sie alle zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit in anspruchsvollen Umgebungen aus und sind daher ideal für Anwendungen in der Schifffahrt, der Luft- und Raumfahrt oder bei der Herstellung von elektronischen und magnetischen Bauteilen.
3D-gedrucktes Teil aus Inconel 625. (Bild: ExOne)
3D-Druck mit Nickellegierungen
Für seine Anwendung im 3D-Druck muss Nickel in ein hochwertiges Metallpulver umgewandelt werden. Dieser Prozess wird hauptsächlich durch Zerstäubungstechniken durchgeführt, wobei die Gas- und Plasmazerstäubung am häufigsten verwendet werden. Sobald das Metallpulver hergestellt ist, wird es einem Sortier- und Konditionierungsprozess unterzogen. Dank dieser fortschrittlichen Verfahren sind Nickellegierungen in Pulverform in der Lage, die anspruchsvollen Normen der fortschrittlichsten Industrien zu erfüllen.
Der 3D-Druck mit Nickellegierungen erfolgt hauptsächlich mit Pulvermetalltechnologien. Die beiden bekanntesten sind das Laser-Pulverbett-Schmelzen (LPBF), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und die direkte Energieabscheidung (DED). Alle diese Verfahren erfordern eine sorgfältige Optimierung von Parametern wie Laser- oder Elektronenstrahlleistung, Scangeschwindigkeit und Schichtdicke, um die gewünschte Qualität und die Eigenschaften der fertigen Teile zu gewährleisten. Beim Jetting von Metallbindern (Metal Binder Jetting) ist die Wahl eines guten Binders für die Haftung der Schichten entscheidend. Da die gedruckten Teile vor dem Sintern sehr porös sind, müssen außerdem die Bindemittelverteilung und die Pulverdichte kontrolliert werden, um Schrumpfung und Verformung in der Sinterphase zu minimieren.
Vorteile und Einschränkungen
Diese Legierungen bieten in Verbindung mit der additiven Fertigung zahlreiche Vorteile. Dank ihrer hohen Temperaturbeständigkeit behalten sie ihre strukturelle Integrität auch in Umgebungen mit Temperaturen von über 700°C. Dies macht sie zu einer optimalen Wahl für Bauteile, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind. Gleichzeitig bietet der 3D-Druck eine große Designfreiheit, die es ermöglicht, komplexe, optimierte Geometrien zu erstellen, die mit herkömmlichen Methoden nicht realisierbar wären. So können effizientere und leichtere Teile gefertigt werden, was für viele Anwendungen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung ist.
Allerdings haben Nickellegierungen auch gewisse Einschränkungen. Einer der Hauptnachteile sind ihre hohen Kosten. Der Preis des Nickellegierungspulvers kann die Produktionskosten erheblich erhöhen und stellt eine Einstiegshürde dar. Außerdem müssen die gedruckten Teile nachbearbeitet werden, z. B. durch eine zusätzliche Wärmebehandlung und maschinelle Bearbeitung, wodurch sich die Produktionszeiten verlängern. Andererseits kann die Handhabung von feinem Metallpulver zu Gesundheits- und Sicherheitsrisiken führen, sodass strenge Kontrollmaßnahmen und der Einsatz geeigneter Schutzausrüstung erforderlich sind.
Bild: EOS (links) / Materialise (rechts)
Wichtigste Anwendungen
Nickellegierungen im 3D-Druck finden aufgrund ihrer interessanten Eigenschaften in verschiedenen Bereichen Anwendung. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden sie für die Herstellung von Triebwerksteilen wie Turbinenschaufeln und Brennkammern verwendet. Diese Teile erfordern Materialien, die hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen standhalten. In der Automobilbranche werden sie zur Herstellung von Hochleistungsteilen wie Turboladern und Auspuffanlagen verwendet, wobei sie von ihrer Hitze- und Korrosionsbeständigkeit profitieren. Im medizinischen Bereich werden sie aufgrund ihrer Langlebigkeit für die Herstellung von Implantaten und maßgeschneiderten medizinischen Geräten verwendet. In der Erdöl- und Erdgasindustrie schließlich kommen sie bei der Herstellung von Komponenten für Bohr- und Verarbeitungsanlagen zum Einsatz. Diese Teile sind für den Einsatz in stark korrosiven Umgebungen und bei hohen Temperaturen ausgelegt. Darüber hinaus profitieren bereits viele Branchen von den Eigenschaften der Nickellegierungen im 3D-Druck.
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*Titelbildnachweis: EOS