3D-Druckmaterialien für den Unterwassereinsatz

Unterwasserumgebungen, insbesondere Salzwasser, stellen hohe Anforderungen an Materialien. Wassereintritt, hydrostatischer Druck, gelöste Salze und Gase, Temperaturschwankungen und Biofouling führen dazu, dass Bauteile, die an der Luft einwandfrei funktionieren, beschädigt werden. Bei der Konstruktion und dem 3D-Druck von Bauteilen, die unter Wasser eingesetzt werden sollen, ist die Wahl des richtigen Materials die erste und wichtigste Entscheidung.

Wichtige Materialeigenschaften, die zu berücksichtigen sind

Bevor Sie ein Material auswählen, bewerten Sie dessen Eigenschaften immer im Kontext der beabsichtigten Umgebung:

• Korrosionsbeständigkeit: Ist das Material beständig gegen Chloride, Sauerstoff und andere gelöste Chemikalien? Salzwasser ist weitaus aggressiver als Süßwasser.

• Hydrolytische Stabilität und Wasseraufnahme: Nimmt das Polymer Wasser auf und quillt (wie Nylon), oder ist es im Wesentlichen undurchlässig (wie PEEK, HDPE)? Metalle nehmen kein Wasser auf, können aber korrodieren.

• Mechanische Eigenschaften im nassen Zustand: Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit und Dauerfestigkeit können sich nach dem Einweichen verändern. Einige Polymere werden weicher oder verlieren an Steifigkeit, wenn sie gesättigt sind.

• Durchlässigkeit und Porosität: AM-Bauteile können porös sein, und innere Hohlräume oder Schichtgrenzen können Leckagepfade bilden. Die Prozessauswahl und die Nachbearbeitung zur Abdichtung der Poren sind daher entscheidend.

• Temperaturverhalten: Wenn das Bauteil mit heißem Wasser in Berührung kommt, wählen Sie Werkstoffe mit ausreichend hoher Glasübergangs- oder Schmelztemperatur.

• Galvanische Kompatibilität: Wenn Metalle in der Nähe von ungleichen Materialien sind, kann es in Salzwasser zu galvanischer Korrosion kommen.

• Dichte und Auftrieb: Bei Schwimmkörpern und Bojen ist die Dichte entscheidend. Metalle sinken; HDPE und PP schwimmen.

• Biofouling und Auswaschung: Manche Materialien fördern das Wachstum von Meeresorganismen oder die Auswaschung von Zusatzstoffen, die die Umwelt belasten.

Bildquelle: VoxelMatters

Titan Ti-6Al-4V

Titanlegierungen eignen sich hervorragend für den langfristigen Einsatz unter Wasser, einschließlich Meerwasser und Tiefseeeinsätzen.

3D-gedrucktes Titan Ti-6Al-4V bildet eine stabile, haftende Oxidschicht, die Lochfraß und Spaltkorrosion in chloridhaltigem Meerwasser deutlich besser widersteht als die meisten Stähle und viele andere Metalle. Titan ist zudem biologisch verträglich und beständig gegen viele chemische Angriffe.

Design- und Verarbeitungstipps

• Eine Dichte von >99 % anstreben, um interne Porosität zu vermeiden, die Wasser einschließen und Leckagen oder Spannungskonzentrationen verursachen kann.

• Spezifizieren Sie eine Wärmebehandlung nach dem Druck und eine Spannungsarmglühung, um die Zähigkeit zu optimieren.

• Oberflächen reinigen und passivieren; lose Pulver und verschmolzene Pulverpartikel aus Spalten entfernen.

• Kritische Dichtflächen so bearbeiten, dass Mikroleckagen vermieden werden.

Edelstahl 316L

316L eignet sich gut für viele maritime Anwendungen, wenn es korrekt verarbeitet und veredelt wird.

316L weist einen Molybdängehalt auf, der die Beständigkeit gegen chloridinduzierte Lochfraßkorrosion im Vergleich zu Edelstahl 304 verbessert. Bei sachgemäßer Passivierung und dichtem Mikrogefüge eignet es sich gut für den Einsatz in Meerwasser.

Tipps zu Konstruktion und Verarbeitung:

• Minimieren Sie die Porosität und die Bildung von Schlüssellöchern, verwenden Sie eine konservative Energiedichte und geeignete Lukenstrategien.

• Die Nachbearbeitung ist entscheidend: Wärmebehandlung, wenn möglich Heißisostatisches Pressen zum Schließen innerer Poren, Oberflächenpolieren und chemische Passivierung verbessern die Korrosionsbeständigkeit.

• Bei extremer Beanspruchung oder wenn Spaltkorrosion ein Problem darstellt, sollten Schutzbeschichtungen aufgebracht werden.

• Achten Sie auf mögliche galvanische Wechselwirkungen mit ungleichen Metallen; isolieren Sie die Bauteile gegebenenfalls.

SPÄHEN

Polyetheretherketon eignet sich hervorragend für den langfristigen Einsatz unter Wasser, auch in heißem Wasser und chemisch aggressiven Umgebungen.

PEEK ist ein Hochleistungs-Teilkristallin-Polymer mit sehr geringer Wasseraufnahme, ausgezeichneter Hydrolysestabilität, großem Verarbeitungstemperaturbereich und hervorragender Chemikalienbeständigkeit. Es behält seine mechanischen Eigenschaften auch nach dem Einweichen bei.

HDPE

Polyethylen hoher Dichte eignet sich hervorragend für viele Unterwasseranwendungen, insbesondere für Schwimmkörper und Gehäuse, bei denen Auftrieb und chemische Beständigkeit erforderlich sind.

HDPE ist in den meisten Umgebungen chemisch inert, weist eine vernachlässigbare Wasseraufnahme auf und bietet eine gute Zähigkeit. Es wird häufig für Seebojen und Tanks im Spritzgussverfahren verwendet.

PP

Polypropylen eignet sich hervorragend für schwimmfähige, chemikalienbeständige Teile und wird häufig in der Schifffahrt eingesetzt, wenn Schwimmfähigkeit oder Chemikalienbeständigkeit erforderlich sind.

Polypropylen (PP) ist leicht, chemisch beständig gegen viele Lösungsmittel und Salze und weist eine sehr geringe Wasseraufnahme auf. Es wird für Schwimmkörper, Behälter und Teile verwendet, die mit Meerwasser in Kontakt kommen, aber unter extremen Bedingungen nicht tragend sind.

Die Materialwahl ist nur der erste Schritt. Für jede Unterwasseranwendung gilt:

• Definieren Sie die Umgebungsbedingungen: Süßwasser vs. Salzwasser, Tiefe, Temperaturzyklen und erwartete Nutzungsdauer.

• Wählen Sie das richtige Verfahren: Metall-PBF für Titan oder 316L; HIP und Oberflächenbearbeitung für Stahl; Hochtemperatur-FFF für PEEK; FDM oder CNC für HDPE/PP mit spezieller Handhabung.

• Konstruktion zur Abdichtung: dickere Wände, durchgehende Schalen, minimierte Nähte; Integration von Abläufen oder Entlüftungsöffnungen für Druckänderungen.

• Nachbearbeitung: HIP, Passivierung, Polieren; chemisches Glätten, Epoxidverguss oder Schutzlackierung; thermisches Schweißen für PP/HDPE-Verbindungen.

• Prüfung: Tauchversuche, hydrostatische Druckprüfungen zur Bestimmung der Tiefentauglichkeit, Salzsprüh- oder Korrosionsprüfungen für Metalle und Funktionstests mit Druckzyklen.

• Iterieren: Prototypen unter realen Wasserbedingungen validieren.