Laser Powder Bed Fusion: Prozess und Werkstoffeigenschaften von 316L
Die additive Fertigung hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt, doch eine breite industrielle Anwendung bleibt bislang aus. Dr.-Ing. Vino Suntharakumaran, Vice President Additive Manufacturing bei DN Solutions, ist überzeugt: Edelstahl 316L ist das Schlüsselmaterial, um den 3D-Druck aus dem Labor in die Serienproduktion zu überführen und klassische Zerspanung mit neuen Fertigungstechnologien zu verbinden.
Die additive Fertigung hat in den vergangenen Jahren einen gewaltigen Entwicklungssprung gemacht, doch laut Dr.-Ing. Vino Suntharakumaran ist das volle Potenzial der Technologie „noch längst nicht ausgeschöpft“. Besonders bei Edelstahl zeige sich, wie sich Wirtschaftlichkeit, Werkstoffgüte und Prozesssicherheit praktikabel realisieren lassen.
DN Solutions entwickelt Verfahren und Systeme, die additive Fertigung und klassische Zerspanung miteinander verbinden. Auf diese Weise entsteht eine durchgängige Prozesskette – vom Edelstahlpulver über den 3D-Druck bis hin zum fertig bearbeiteten Bauteil – die es Unternehmen ermöglicht, die Technologie gezielt in ihre Produktionsabläufe zu integrieren.
Warum Edelstahl 316L eine Schlüsselrolle spielt
Der Markt für additive Fertigung soll Schätzungen zufolge bis 2034 auf ein weltweites Volumen von rund 84 Milliarden US-Dollar anwachsen. „Trotz jahrzehntelanger Marktreife additiver Fertigungsverfahren ist die Technologie noch nicht vollständig im Markt etabliert“, merkt Suntharakumaran an. „Dabei stellt Edelstahl der Güteklasse 316L einen besonders geeigneten Werkstoff für den Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Prozess dar. Seine sehr guten Verarbeitungseigenschaften in Kombination mit herausragenden mechanischen und korrosionsbeständigen Eigenschaften machen ihn zur bevorzugten Wahl in zahlreichen industriellen Anwendungen.“
Bei der Laser Powder Bed Fusion weist das gasatomisierte 316L-Pulver eine nahezu perfekte, sphärische Partikelform sowie eine kontrollierte Größenverteilung zwischen 15 und 45 Mikrometern auf. Diese Eigenschaften ermöglichen eine gleichmäßige Schichtbildung im Pulverbett sowie eine hohe Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit.
„Im Prozess entsteht eine feine dendritische (vielverzweigte) Mikrostruktur mit hoher Versetzungsdichte. Diese führt zu deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere zu Zugfestigkeiten von bis zu 762 MPa, wodurch konventionell gefertigte 316L-Bauteile übertroffen werden“, erklärt Suntharakumaran. Zugleich bildet sich eine stabile Chromoxid-Passivschicht, die die Korrosionsbeständigkeit nochmals erhöht. Gegenüber Titan- oder Aluminiumlegierungen punktet 316L zudem mit einem breiteren Prozessfenster, einer geringeren Oxidationsneigung und moderaten Anforderungen an die Energiedichte (90–100 J/mm³).
Nachbearbeitung und Oberflächenqualität bei 316L-Komponenten
Einer der größten Diskussionspunkte in der additiven Fertigung ist nach wie vor die Herausforderung in der Nachbearbeitung. „Der 3D-Druck ermöglicht zwar hochkomplexe Geometrien, doch diese müssen anschließend präzise bearbeitet werden“, betont Suntharakumaran. Im Fokus stehen nach dem Druckprozess insbesondere das Entfernen von Stützstrukturen, das Einhalten enger Toleranzen sowie die Oberflächenbearbeitung.
„Edelstahl verursacht bei der LPBF-Nachbearbeitung deutlich weniger Herausforderungen als andere gängige Materialien. Aufgrund seiner hohen Duktilität, guten Bearbeitbarkeit und moderaten Wärmebehandlungsanforderungen ist 316L das nachbearbeitungsfreundlichste LPBF-Material“, berichtet Suntharakumaran. Bauteile aus dem LPBF-Prozess weisen oft Oberflächenrauheiten von 12–25 µm Ra auf. Für kritische Anwendungen ist daher eine mechanische Nachbearbeitung oder das Elektropolieren erforderlich. Dabei müssen spezifische Aspekte wie Kaltverfestigung und Sensibilisierungsrisiko beachtet werden. Diese sind jedoch wesentlich einfacher zu handhaben als die von Ti-6Al-4V, AlSi10Mg oder Inconel 718, drei hochfesten Legierungen auf Basis von Titan, Aluminium und Nickel, die häufig in der additiven Fertigung eingesetzt werden. „Diese Vorteile tragen maßgeblich zur breiten industriellen Akzeptanz von 316L in der LPBF-Fertigung bei und erklären, warum es oft als Einstiegsmaterial für neue LPBF-Anwender empfohlen wird“, fügt Suntharakumaran hinzu.
Beim Edelstahlpulver ist die Partikelgrößenverteilung entscheidend: 15 bis 45 µm gelten als optimal, um eine gute Fließfähigkeit und Packungsdichte zu erreichen. Gasatomisiertes Pulver mit hoher Sphärizität sichert eine gleichmäßige Schichtauftragung. „Die chemische Zusammensetzung muss exakt kontrolliert werden: Bei 316L darf der Kohlenstoffgehalt 0,03 Prozent nicht überschreiten, um die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten“, erläutert Suntharakumaran. Ebenso kritisch ist der Sauerstoffgehalt, der unter 0,1 Prozent liegen sollte, um Oxidationsdefekte zu vermeiden. In der Regel ist nach fünf bis sieben Recyclingzyklen ein Pulveraustausch erforderlich.
Typische Anwendungen: Von der Medizintechnik bis zur Offshore-Industrie
LPBF-Bauteile aus Edelstahl finden heute in den unterschiedlichsten Branchen Anwendung. Besonders etabliert ist die Legierung 316L in der Medizintechnik, beispielsweise bei chirurgischen Instrumenten, denn sie ist biokompatibel, sterilisierbar und hoch korrosionsbeständig.
Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie kommen LPBF-Bauteile zum Einsatz, beispielsweise für Triebwerkskomponenten, Turbinenschaufeln oder Leichtbaustrukturen. Die Technologie ermöglicht dabei komplexe Kühlkanäle und gewichtsoptimierte Designs.
In der Marine- und Offshore-Industrie wiederum profitieren Pumpengehäuse, Ventile oder Unterwasserkomponenten von der hohen Salzwasserbeständigkeit. „Das Besondere ist die Materialeffizienz“, so Suntharakumaran. „Bis zu 95 Prozent des eingesetzten Pulvers werden tatsächlich zum Bauteil. Darüber hinaus gibt es Designfreiheit für komplexe Geometrien und überlegene mechanische Eigenschaften durch die verfeinerte Mikrostruktur der schnellen Erstarrung.“
Ausblick: Edelstahl auf dem Weg zur Standardlösung
Für die breitere industrielle Nutzung von Edelstahl in der additiven Fertigung sind laut Dr.-Ing. Vino Suntharakumaran mehrere Entwicklungen entscheidend. „Ein wichtiger Schritt ist bereits erfolgt: Unternehmen erhalten zunehmend Unterstützung bei der Integration der additiven Fertigung in bestehende Produktionsprozesse, sodass die Potenziale des 3D-Drucks besser ausgeschöpft werden können. Zentral bleibt die Standardisierung von Prozessparametern und Qualifizierungsverfahren, etwa nach Normen wie ASTM F3184, um konsistente Materialeigenschaften und eine industrielle Skalierbarkeit zu gewährleisten.“ Gleichzeitig wies Suntharakumaran auf wirtschaftliche Aspekte hin. Die Kosten für Metallpulver müssten sinken, damit die additive Fertigung für mehr Anwender interessant wird. Auch die Verarbeitbarkeit unterschiedlich großer Pulver sollte verbessert werden. Zudem könnten KI-gestützte Prozessoptimierungen die Effizienz steigern, beispielsweise durch die Anpassung der Druckparameter in Echtzeit oder die frühzeitige Erkennung potenzieller Defekte.
Suntharakumaran schloss mit klaren Worten: „Wenn die additive Fertigung mit Edelstahl in der industriellen Breite ankommt, wird sie zu einem integralen Bestandteil moderner Produktionssysteme.“
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Anett Leonhard
Chefredakteurin Edelstahl Aktuell