Welche Maßgenauigkeit und Oberflächenrauheit sind bei Inconel-DMLS-Teilen erreichbar?

Aus ingenieurtechnischer Sicht hängen die erreichbare Genauigkeit und Oberflächenrauheit von DMLS-Inconel-Bauteilen davon ab, ob sie im „as-printed“-Zustand verwendet oder mit nachgelagerter Präzisionsbearbeitung kombiniert werden. In unseren Arbeitsabläufen betrachten wir das Direct Metal Laser Sintering (DMLS) als ein Near-Net-Shape-Verfahren und veredeln kritische Bereiche durch spezialisierte Superlegierungs-CNC-Bearbeitung, sodass Inconel-Komponenten den Toleranzanforderungen der Luftfahrt- und Energiebranche entsprechen.

Maßhaltigkeit im As-Built-Zustand bei Inconel-DMLS

Bei optimal abgestimmten Prozessparametern erreichen DMLS-Inconel-Bauteile im As-Built-Zustand typischerweise Maßtoleranzen von etwa ±0,1–0,2 mm über 100 mm, vorausgesetzt, es wird eine geeignete Stützstrategie und ein wirksames Wärmemanagement eingesetzt. Kleine Details wie Rippen, Gitterstrukturen und Kühlkanäle können mit Merkmalgrößen von etwa 0,3–0,5 mm reproduziert werden. Dünne Wände und hohe, schlanke Strukturen reagieren jedoch empfindlicher auf Verzug.

Wärmeansammlungen und Eigenspannungen können bei langen, dünnen Abschnitten zu leichten Verformungen („Banana Distortion“) führen. Um dies zu kontrollieren, planen wir gezielte Materialzugaben auf Dichtflächen, Flanschen und Bohrungen ein und orientieren die Bauteile im Bauraum so, dass Überhänge minimiert werden. Für kritische Turbinen-, Brennkammer- oder Verteilerkomponenten in der Luft- und Raumfahrt oder der Energieerzeugung sorgt dieser Ansatz dafür, dass die Endtoleranzen durch die Endbearbeitung und nicht durch die Rohabweichungen des DMLS-Prozesses bestimmt werden.

Oberflächenrauheit im As-Built-Zustand im Vergleich zu Funktionsanforderungen

Im unbehandelten Zustand weisen DMLS-Inconel-Oberflächen eine relativ hohe Rauheit auf, bedingt durch teilweise gesinterte Partikel und Schichtstufenbildung. Typische Ra-Werte liegen zwischen 8 und 15 µm auf vertikalen und geneigten Flächen; obere Flächen sind meist etwas glatter, während Unterseiten und Überhänge rauer sind. Für interne Kanäle kann diese Rauheit vorteilhaft sein, um den Wärmeübergang zu verbessern, ist jedoch für Dichtflächen, Lagerstellen oder strömungskritische Messbereiche ungeeignet.

Wo eine verbesserte Oberflächenqualität erforderlich ist, lassen wir zusätzliches Material für die spanende Endbearbeitung oder gezielte lokale Nachbehandlungen zu. Es ist entscheidend, in der technischen Zeichnung klar festzulegen, welche Flächen im „as-printed“-Zustand verbleiben dürfen und welche auf „as-machined“-Qualität bearbeitet werden müssen – so ist der Fertigungsprozess von Anfang an eindeutig definiert.

Enge Toleranzen durch CNC-Endbearbeitung und Schleifen

Um enge Toleranzen und geringe Rauheitswerte zu erreichen, kombinieren wir DMLS routinemäßig mit hochpräziser Präzisionsbearbeitung und, falls erforderlich, CNC-Schleifbearbeitung. Nach dem Spannungsarmglühen und häufig auch nach dem Heißisostatischen Pressen werden kritische Bohrungen, Flansche und Schnittstellen bei Legierungen wie Inconel 718 auf Toleranzen im Bereich von ±0,01–0,02 mm bearbeitet – bei kurzen Bezugsebenen sind sogar engere Passungen möglich.

In Bezug auf die Oberflächenqualität können Drehen, Fräsen und Schleifen Ra-Werte von 0,8–1,6 µm auf Funktionsflächen erreichen. Für hochbelastete Dicht- oder Lagerflächen lassen sich durch Feinschleifen und Superfinish-Verfahren Werte unter Ra 0,4 µm erzielen. Wo es die Geometrie erlaubt, ergänzen wir die Bearbeitung durch kontrolliertes Polieren nach den Methoden, die in unseren CNC-Polierrichtlinien beschrieben sind, um Reibung zu reduzieren und die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern.

Konstruktions- und Prüfrichtlinien für präzise DMLS-Bauteile

Konstrukteure sollten DMLS als Near-Net-Verfahren betrachten: 0,3–0,7 mm Bearbeitungszugabe auf hochpräzisen Flächen einplanen, kritische Bezugsebenen entlang der Bauachse ausrichten, um Verzug zu minimieren, und ausreichenden Werkzeugzugang für die CNC-Bearbeitung sicherstellen. Intern validieren wir Maßhaltigkeit und Rauheit durch CMM-Messungen an Referenzproben, die gemeinsam mit den Bauteilen gefertigt werden, sowie durch CT-Scans, wenn interne Geometrien oder Porositäten überprüft werden müssen.

Zusammengefasst liefert Inconel-DMLS allein eine moderate Genauigkeit und relativ raue Oberflächen, die für Funktionsprototypen und interne Kanäle geeignet sind. Wird das Verfahren jedoch mit einer robusten Endbearbeitungskette – Präzisionsbearbeitung, Schleifen und Polieren – kombiniert, können DMLS-Inconel-Bauteile Toleranzen und Oberflächenqualitäten erreichen, die mit konventionell gefertigten Hochtemperaturkomponenten vergleichbar sind.