Vielen Werkstoffen für Hochtemperaturanwendungen ist bislang die additive Fertigung aufgrund fehlenden Materials und unzureichender Prozesstechnik verschlossen. Für beides wurde in einem erfolgreich beendeten Kooperationsprojekt eine Lösung gefunden. Damit wird es möglich, rissfreie Bauteile aus einer Ni-Basislegierung (MAR-247) mit dem Fused Deposition Modeling-Verfahren (FDM) im industriellen Maßstab zu drucken.

Das Interesse an der Verarbeitung bislang nicht schweißbarer Hochtemperatur-Werkstoffe nimmt rasant zu. Dies gilt insbesondere für den Triebwerks- und Turbinenbau mit aggressiven Einsatzbedingungen; zudem ergeben sich aus dem Gebot der Nachhaltigkeit steigende Anforderungen an die Lebensdauer von Bauteilen.

Kooperationsprojekt öffnet den Weg in den 3D-Druck

Die additive Fertigung als Voraussetzung dafür, auch komplexe Bauteilgeometrien zu erzeugen, ist bislang auf die Verarbeitung schweißbarer Ausgangsmaterialien ausgelegt. Damit sind schlecht und nicht schweißbaren Werkstoffe, die sich durch sehr gute thermo-mechanische Eigenschaften auch im Hochtemperatureinsatz auszeichnen, für konventionelle additiven Fertigungsverfahren nicht nutzbar, da der Aufbau des Werkstücks mit einer hohen Rissneigung und Spanbildung verbunden ist. Vor diesem Hintergrund beschäftigte sich ein Kooperationsprojekt der NMB zusammen mit dem Partner Peter Würtele aus dem fränkischen Bad Königshofen damit, diesen wichtigen Hochtemperatur-Werkstoffen den Weg in den 3D-Druck zu öffnen.

Metallpulver aus nicht schweißbarer Ni-Basislegierung

Dafür wurden hochgefüllte Filamente als Ausgangsmaterial für das FDM-Verfahren entwickelt. Sie bestehen zu mindestens 92 Gewichtsprozent aus Metallpulver, das in eine Matrix aus einem kunststoffbasierten Bindemittel eingebunden ist. Dieses Metallpulver besteht aus einer optimierten, nicht schweißbaren Ni-Basislegierung (MAR-247). Die Prozessentwicklung erfolgte auf einer speziell ausgelegten Prototypanlage im Technikum der NMB. Ergebnis sind Druck- und Wärmebehandlungsstrategien, mit der es möglich wird, mit einer minimalen Schrumpfung von etwa zehn Prozent Bauteile herzustellen, die eine extrem geringe Porosität von maximal einem Prozent aufweisen. In Verbindung mit optimierten Entbinderungs- und Vakuumsinterprozessen im Anschluss an den Druckprozess entstehen gesinterte Bauteile mit hoher Festigkeit bei Raumtemperatur, aber auch im Hochtemperaturbereich.

Adaptiertes Druckverfahren

Die Ergebnisse des Projekts – sowohl das filamentförmige Druckmaterial als auch das adaptierte Druckverfahren – konnten erfolgreich auch für andere Werkstoffklassen, etwa Hartmetalle, weiterentwickelt werden. Die Erkenntnisse aus dem Projekt lassen sich in allen industriellen Anwendungsbereichen, wie dem Maschinenbau und der Luft- und Raumfahrt, nutzen.

Verfahren und Anlagenprototyp wurden im Rahmen des vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) geförderten Kooperationsprojekts „Entwicklung hochgefüllter Metallfilamente zur Herstellung von komplexen Bauteilen aus nicht schweißbaren Nickel-Basis-Legierungen mittels Fused Deposition Modeling-Verfahren – FDM-MAR“ von den Kooperationspartnern NMB und Peter Würtele entwickelt.