Wie EOS CopperAlloy CuNi30 die additive Fertigung in der Schifffahrt revolutioniert

Der führende Anbieter von Metall-AM-Lösungen EOS hat kürzlich EOS CopperAlloy CuNi30 vorgestellt, eine Kupfer-Nickel-Legierung, die speziell für seine additive Fertigungstechnologie des direkten Metall-Lasersinterns entwickelt wurde. Diese Legierung wurde in Zusammenarbeit mit Phillips Federal und Austal USA entwickelt und ist auf die strengen Leistungsanforderungen der US-Marine für kritische U-Boot-Komponenten zugeschnitten, während sie gleichzeitig alle Vorteile des 3D-Drucks in Bezug auf Design und Produktion bietet.

Die maritime Umgebung gehört zu den anspruchsvollsten Umgebungen für technische Werkstoffe. Salzwasser greift Metall unerbittlich an, Temperaturschwankungen stellen die strukturelle Stabilität auf die Probe und mechanische Belastungen durch Wellen, Strömungen und Bordsysteme stellen die Haltbarkeit auf eine harte Probe. Seit Jahrzehnten sind Kupfer-Nickel-Legierungen aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und Zuverlässigkeit die bevorzugte Wahl für den Schiffbau und die Schiffsausrüstung.

Aus strategischer Notwendigkeit

Die Entwicklung von CuNi30 wurde von einem strategischen Ziel vorangetrieben: der Beseitigung von Engpässen in der Lieferkette, die durch lange Vorlaufzeiten für gegossene Kupfer-Nickel-Komponenten verursacht wurden. Das Programm „2+1 Columbia and Virginia Class Submarine Platforms” der US-Marine erforderte ein alternatives Gussverfahren, das die Leistungsstandards erfüllen und gleichzeitig Produktionsverzögerungen reduzieren konnte.

EOS reagierte darauf mit der Entwicklung eines Materials, das den UNS C96400-Spezifikationen in ASTM B369-09 entspricht und die gleiche Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bietet wie herkömmliche CuNi-Legierungen, jedoch für die additive Fertigung optimiert ist. Zu den typischen Anwendungsbereichen von EOS CopperAlloy CuNi30 gehören verschiedene Arten von Schiffskomponenten, insbesondere Pumpen und Laufräder.

Laut Ankit Saharan, Senior Manager of Metals Technology bei EOS, wurde das Projekt beschleunigt, um den Zeitplan der Marine einzuhalten, was zu einer Markteinführung nur wenige Monate nach Beginn der Entwicklung führte.

Zusammensetzung und Performance

EOS CopperAlloy CuNi30 ist eine Kupferlegierung mit einem Nickelgehalt von 28–32 %, ergänzt durch geringe Mengen Niob, Eisen und Mangan, um die mechanische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Die sorgfältige Ausgewogenheit der Elemente gewährleistet eine hohe Duktilität selbst bei extrem niedrigen Temperaturen, ein entscheidender Faktor für Schiffe, die in arktischen Gewässern oder Tiefseeumgebungen eingesetzt werden.

Mechanische Tests zeigen Zugfestigkeiten von bis zu 700 MPa in wärmebehandelten horizontalen Konstruktionen, Streckgrenzen von bis zu 560 MPa und Bruchdehnungen von über 30 % im Herstellungszustand. Selbst unter Spannungsarmglühen behält die Legierung eine Dehnung von über 20 % bei, wodurch sie sehr widerstandsfähig gegen Sprödbruch ist. Ihre Härte reicht von 75 HRB im Herstellungszustand bis zu 90 HRB nach der Wärmebehandlung, wodurch sie sowohl Haltbarkeit als auch Bearbeitbarkeit bietet.

Eine der beeindruckendsten Eigenschaften von CuNi30 ist seine Fähigkeit, eine hohe Duktilität und mechanische Festigkeit über verschiedene Fertigungsrichtungen und Temperaturen hinweg beizubehalten.

Anwendungen für raue Meeresumgebungen

Salzwasserkorrosion stellt in der Schiffsbautechnik eine ständige Bedrohung dar, die zu kostspieligen Reparaturen, Ausfallzeiten und in einigen Fällen zu katastrophalen Ausfällen führt. Die nickelreiche Zusammensetzung von CuNi30 fördert die Bildung einer schützenden Oxidschicht, die Bauteile vor Lochfraß und Spaltkorrosion schützt. Seine Beständigkeit gegen Biofouling reduziert außerdem den Bedarf an häufiger Reinigung und Wartung.

Die Legierung zeigt auch in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen eine konstante Leistung und gewährleistet, dass die Teile ihre Festigkeit und Zähigkeit bei Einsätzen in der Arktis und bei Tiefseemissionen beibehalten. Diese Stabilität macht CuNi30 gleichermaßen geeignet für Marineverteidigungssysteme und kommerzielle Schiffsanwendungen.

Die Eigenschaften von CuNi30 machen es zu einer ausgezeichneten Wahl für Systeme, die Meerwasser ausgesetzt sind. Es wird bereits für U-Boot-Komponenten wie Meerwasser-Einlassventile, Hochdruckleitungen und Antriebshardware eingesetzt. Wie bereits erwähnt, ist es ebenso effektiv in Pumpen und Laufrädern, wo seine Beständigkeit gegen Korrosion und Partikelerosion die Lebensdauer unter schwierigen Bedingungen verlängert.

Weitere AM-Anwendungen sind marine Wärmetauscher und Kondensatoren, die von der hohen Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit von CuNi30 profitieren und so eine effiziente Wärmeübertragung und langfristige Zuverlässigkeit gewährleisten. In der Offshore-Öl- und Gasinfrastruktur, wo es ständig zu Kontakt mit Salzwasser, hohem Druck und korrosiven Gasen kommt, kann CuNi30 verwendet werden, um die Lebensdauer von Steigleitungen, Verbindungsstücken und Unterwasserarmaturen zu verlängern.

Die additive Fertigung verändert alles

Traditionell ist das Gießen von Kupfer-Nickel-Legierungen für diese Anwendungen aufgrund der Komplexität der Formen, strenger Qualitätskontrollen und begrenzter Lieferantenkapazitäten langsam und kostspielig. Mit DMLS können CuNi30-Komponenten auf Abruf, nahe am Einsatzort und ohne teure Werkzeuge hergestellt werden.

Diese Veränderung ermöglicht es Werften und Marineeinrichtungen, monatelange Vorlaufzeiten zu umgehen und eröffnet gleichzeitig neue Gestaltungsmöglichkeiten. Interne Kanäle, optimierte Geometrien und gewichtsreduzierte Strukturen – die mit Gussverfahren nicht realisierbar sind – sind nun möglich, wodurch die Leistung verbessert und gleichzeitig der Materialverbrauch reduziert wird.

CuNi30 ist für die mittelgroßen und großen Rahmensysteme von EOS verfügbar, insbesondere für die Serien EOS M 290 und EOS M 400. Es wird mit einer Schichtdicke von 60 Mikrometern unter Argonatmosphäre verarbeitet, was zu hochdichten Teilen mit einem Fehleranteil von weniger als 0,1 % führt. Die Maßänderung nach der Wärmebehandlung beträgt in der Regel etwa 0,1 %, sodass präzise Toleranzen eingehalten werden können.

Seine Zähigkeit über einen breiten Temperaturbereich ist ein weiteres herausragendes Merkmal. Charpy-V-Kerbschlagversuche zeigen Aufprallenergiewerte von bis zu 190 J bei -85 °C im Herstellungszustand, was seine Fähigkeit bestätigt, Stoßbelastungen unter extremen Bedingungen standzuhalten.

Verarbeitungsparameter und Gerätekompatibilität

EOS CopperAlloy CuNi30 ist optimiert für:

• EOS M 290 (Mittelformat)
• EOS M 400-1 und M 400-4 (Großformat, Hochleistungssysteme)

Standard Processing Parameters:

• Schichtdicke: 60 μm
• Inertgas: Argon
• Beschichtungsklinge: Schnellarbeitsstahl (HSS)
• Siebgröße: 90 μm
• Maßänderung nach der Wärmebehandlung: ~0,1 %

Ein strategischer Vorteil für Marineoperationen

Durch die Ermöglichung einer regionalen On-Demand-Produktion kritischer Teile verringert CuNi30 die Abhängigkeit von langen Lieferketten für Gussteile. Dies beschleunigt nicht nur Wartungsarbeiten und Neubauten, sondern stärkt auch die nationale Sicherheit, da wichtige Komponenten im Inland und schnell hergestellt werden können.

Wie John Harrison, Senior Vice President of Global Additive bei Phillips Federal, feststellte, ist die Legierung „in vielen maritimen Anwendungen von entscheidender Bedeutung und wird für unsere Bemühungen zur Unterstützung des U.S. Navy Center of Excellence wichtig sein“.

EOS CopperAlloy CuNi30 ist für die Systeme EOS M 290 und EOS M 400 (bei einer Auflösung von 60 µm) geeignet und im EOS Online-Shop in einer Packungsgröße von 10 kg für 1.432,40 € (ca. 150 € pro kg) erhältlich.

EOS CopperAlloy CuNi30 steht für ein neues Fertigungsmodell für den maritimen Sektor. Durch die Kombination der Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit traditioneller Kupfer-Nickel-Legierungen mit der Gestaltungsfreiheit, Geschwindigkeit und Flexibilität der additiven Fertigung bietet es Schiffbauern und Schiffsingenieuren ein leistungsstarkes Werkzeug, um den Herausforderungen der Meere direkt zu begegnen.