Einleitung: 316L ist ein Hauptwerkstoff der metallischen additiven Fertigung, doch druckbar heißt nicht automatisch stabil druckbar
Im Werkstoffspektrum der metallischen additiven Fertigung ist 316L-Edelstahl für viele Engineering-Teams praktisch der Einstiegswerkstoff: Er ist korrosionsbeständig, schweißbar, wirtschaftlich vertretbar und wird breit in Chemieanlagen, Pharmaindustrie, Lebensmittelmaschinen, Meerestechnik und Medizintechnik eingesetzt. In realen Projekten zeigen sich jedoch bei derselben SLM-Anlage und denselben STL-Daten oft große Unterschiede zwischen verschiedenen Teams. Manche Bauteile erreichen stabil Dichten von über 99,5 %, besitzen saubere Oberflächen und bleiben langfristig dicht und korrosionsfrei; andere weisen unverschmolzene Bereiche zwischen den Schichten, viele Gasporen, aufgebogene Kanten oder sogar Risse auf. Die Ursache liegt meist nicht in der Maschine selbst, sondern darin, ob das Prozessfenster wirklich verstanden und beherrscht wird. Dieser Artikel beschreibt die Optimierung des SLM-Prozesses für 316L entlang der Kette „Werkstoff – Fertigung – Nachbehandlung“.
1. Der entscheidende Einfluss der Pulvereigenschaften auf die Bauteilqualität
SLM, also selektives Laserschmelzen, ist im Kern ein mikrometallurgischer Prozess mit sehr schnellem Aufschmelzen und Erstarren. Deshalb bestimmen Korngrößenverteilung, Sphärizität und Sauerstoffgehalt des Pulvers unmittelbar die Stabilität des Pulverauftrags und das Verhalten des Schmelzbads. Häufig eingesetzte gasverdüste 316L-Pulver liegen meist im Bereich von 15–53 μm. Ist die Partikelgröße zu grob, kann eine typische Schichtdicke von 20–40 μm nicht gleichmäßig bedeckt werden, wodurch zwischen den Schichten unverschmolzene Bereiche entstehen. Ist das Pulver zu fein, verschlechtert sich die Fließfähigkeit, die Staubentwicklung nimmt zu und auch dadurch entstehen Beschichtungsfehler.
Noch kritischer ist der Sauerstoffgehalt. Sauerstoff in 316L bildet bevorzugt oxidische Einschlüsse, verschlechtert die Benetzung im Schmelzbad und erhöht die Porosität. Daher sollte der Sauerstoffgehalt von Druckpulver in der Regel bei ≤0,1 % liegen. Auch die Anzahl der Wiederverwendungen des Pulvers muss dokumentiert werden: Jede Rückgewinnung verändert den Feinanteil, den Sauerstoffgehalt und den Anteil an Satellitenpartikeln. Empfehlenswert ist eine Chargendokumentation, bei der Neupulver und Recyclingpulver definiert gemischt sowie Partikelgröße und Sauerstoffgehalt erneut geprüft werden. Das ist eine Grundvoraussetzung für gleichbleibende Qualität von Charge zu Charge.
2. Zentrales SLM-Prozessfenster: Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Energiedichte
Die wichtigsten Parameter für den Zustand des Schmelzbads sind Laserleistung P, Scangeschwindigkeit v, Spurabstand h und Schichtdicke t. Zusammen bilden sie die Volumenenergiedichte, VED = P/(v·h·t). Für 316L liegt ein häufig genutztes und stabiles Energiedichtefenster ungefähr bei 60–100 J/mm³. Typische Kombinationen sind beispielsweise eine Laserleistung von 200–285 W, eine Scangeschwindigkeit von 800–1000 mm/s, ein Spurabstand von 0,09–0,11 mm und eine Schichtdicke von 0,03–0,04 mm.
Ist die Energiedichte zu niedrig, ist das Schmelzbad nicht tief genug und es entstehen Bindefehler beziehungsweise Lack-of-Fusion-Defekte. Diese Defekte sind unregelmäßig und kantig und beeinträchtigen die Ermüdungsfestigkeit deutlich stärker als kugelförmige Poren. Ist die Energiedichte zu hoch, überhitzt das Schmelzbad, Metall verdampft, Spritzer und Keyhole-Effekte entstehen und Gasporen werden im Inneren eingeschlossen. Ziel der Prozessoptimierung ist daher nicht einfach, mit mehr Leistung eine höhere Dichte zu erzwingen, sondern ein stabiles Fenster zwischen Lack-of-Fusion und Keyhole-Bildung zu finden und dieses mit Einzellinien, Einzelschichten sowie metallografischen Querschliffen an Volumenproben zu verifizieren.
3. Dichte- und Porenkontrolle: Vom Schmelzbadverhalten zur Prozessvermeidung
Poren in 316L entstehen hauptsächlich durch drei Mechanismen: erstens kantige Hohlräume durch unzureichende Verschmelzung, zweitens Poren durch eingeschlossene Spritzer oder Gase, die nicht rechtzeitig entweichen können, und drittens ursprüngliche Gasporen aus bereits hohlen Pulverpartikeln. Entsprechend gibt es drei zentrale Wege zur prozesstechnischen Vermeidung:
Erstens sollte die Überlappung der Scanbahnen erhöht werden, etwa durch einen kleineren Spurabstand oder stärkere Linienüberdeckung, damit zwischen benachbarten Bahnen eine vollständige metallurgische Verbindung entsteht. Zweitens können Schachbrett- oder Streifen-Scanstrategien eingesetzt werden, bei denen lange Scanwege in kürzere Abschnitte unterteilt und die Startpositionen zwischen den Schichten versetzt werden. Das reduziert lokale Eigenspannungsspitzen und gibt eingeschlossenen Gasen mehr Zeit zum Entweichen. Drittens sollte der Rotationswinkel zwischen den Schichten optimiert werden. Üblich sind wechselnde Winkel von 45° oder 67°, damit sich Defekte nicht in derselben Richtung über mehrere Schichten aufsummieren.
Für die Abnahme empfiehlt sich eine zweigleisige Prüfung: Dichtemessung nach dem Archimedes-Verfahren kombiniert mit metallografischer Porenstatistik im Querschliff. Für technische Lieferungen wird in der Regel eine relative Dichte von ≥99,5 % gefordert. Bei Druckbelastung oder Ermüdungsbeanspruchung sollten zusätzlich Zugversuche nach ASTM E8 durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass Zugfestigkeit und Bruchdehnung das Niveau von Schmiedematerial erreichen.
4. Eigenspannungen, Verzug und Wärmebehandlung
Die Erstarrungsgeschwindigkeit beim SLM kann mehrere Meter pro Sekunde erreichen. Die starken Temperaturgradienten führen zu hohen Eigenspannungen im Bauteil, die sich beispielsweise in Verzug der Bauplatte oder an Kanten zeigen.
Reichen Sie ein Modell, eine Zeichnung, ein Bild oder schriftliche Notizen ein. Ingenieure prüfen Material, Verfahren, Endbearbeitung und Lieferung basierend auf der tatsächlichen Anwendung.