Welche Festigkeitswerte erreichen 316L und 7075 typischerweise nach dem 3D-Druck?

Aus fertigungstechnischer und ingenieurtechnischer Sicht resultieren die Festigkeitsniveaus von 316L-Edelstahl und 7075-Aluminium nach dem 3D-Druck direkt aus den einzigartigen Mikrostrukturen, die durch Verfahren wie Direct Metal Laser Sintering (DMLS) entstehen. Es ist wichtig zu verstehen, dass die „As-Printed“-Eigenschaften sich deutlich von denen geschmiedeter Materialien unterscheiden und stark von den spezifischen Druckparametern sowie der anschließenden Nachbehandlung abhängen.

316L-Edelstahl-DMLS-Eigenschaften

DMLS-gefertigter 316L weist in der Regel eine höhere Festigkeit, aber eine leicht geringere Duktilität als seine geglühte, gewalzte Form auf. Dies liegt an der extrem feinen, zellulären Mikrostruktur und den Eigenspannungen durch die schnelle Erstarrung.

• Typische mechanische Eigenschaften im As-Printed-Zustand (DMLS):

  • Zugfestigkeit (UTS): 500 - 700 MPa

  • Streckgrenze (0,2 %): 400 - 550 MPa

  • Bruchdehnung: 30 - 50 %

• Vergleich mit gewalztem 316L (geglüht):

  • UTS: ~485 MPa

  • Streckgrenze: ~170 MPa

  • Dehnung: ~40 %

• Zentrale Erkenntnis: DMLS-gedrucktes 316L weist eine deutlich höhere Streckgrenze (oft mehr als doppelt so hoch) auf und behält gleichzeitig hervorragende Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Damit eignet es sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen in der Medizintechnik sowie der Luft- und Raumfahrt.

• Einfluss der Wärmebehandlung: Spannungsarmglühen reduziert interne Spannungen mit einem leichten Rückgang der Festigkeit. Lösungsglühen (Vollglühen) rekristallisiert die Mikrostruktur und bringt die Eigenschaften näher an gewalztes, geglühtes Material heran – mit deutlich verringerter Streckgrenze, aber maximaler Duktilität.

7075-Aluminiumlegierung-DMLS-Eigenschaften

Die Situation bei 7075-Aluminium ist komplexer und stellt eine große Herausforderung für laserbasierte Pulverbettverfahren dar. 7075 ist eine hochfeste, ausscheidungshärtbare Legierung (mit Zink als Hauptlegierungselement), die während der schnellen Abkühlung im DMLS stark zur Heißrissbildung und Erstarrungsrissbildung neigt.

• Typische mechanische Eigenschaften im As-Printed-Zustand (sofern rissfreie Verarbeitung erreicht wird):

  • Zugfestigkeit (UTS): 200 - 350 MPa

  • Streckgrenze (0,2 %): 100 - 250 MPa

  • Bruchdehnung: 1 - 5 %

• Vergleich mit gewalztem 7075-T6:

  • UTS: ~570 MPa

  • Streckgrenze: ~500 MPa

  • Dehnung: ~10 %

• Kernaussage: Standard-7075 im DMLS-As-Printed-Zustand zeigt deutlich geringere Festigkeit und Duktilität im Vergleich zu gewalztem T6-Material. Das Verfahren führt häufig zu spröden, rissanfälligen Bauteilen mit niedriger Dichte.

• Spezialisierte Ansätze & Alternativen:

  • Nanopartikel-Funktionalisierung: Forschungen und Spezialverfahren beschichten 7075-Pulver mit Nanopartikeln (z. B. Zr oder TiB₂), um eine feinkörnige Mikrostruktur zu fördern und Rissbildung zu unterdrücken. Dadurch sind nach Alterung Zugfestigkeiten von bis zu 500 MPa erreichbar.

  • Alternative Aluminiumlegierungen für DMLS: Daher gelten AlSi10Mg und Scalmalloy® als Industriestandards für hochfeste DMLS-Aluminiumteile.

    • AlSi10Mg (As-Built + gealtert): UTS ~400 MPa, YS ~250 MPa – gute Kombination aus Festigkeit, Leichtbau und Druckbarkeit.

    • Scalmalloy® (proprietäre Al-Mg-Sc-Legierung): UTS ~520 MPa, YS ~480 MPa, Dehnung ~10 %. Derzeit die stärkste kommerziell verfügbare Aluminiumlegierung für DMLS, speziell für die additive Fertigung entwickelt.

Zusammenfassung und ingenieurtechnische Auswirkungen

Ingenieurtechnische Empfehlungen:

1. Für hochfeste Edelstahlanwendungen: DMLS-316L ist eine hervorragende Wahl und bietet eine höhere Streckgrenze als gewalztes Material. Eine Passivierung verbessert die Korrosionsbeständigkeit zusätzlich.

2. Für hochfeste Aluminiumanwendungen: Standard-7075 sollte für DMLS vermieden werden. Stattdessen sollte AlSi10Mg für ausgewogene Eigenschaften oder Scalmalloy® für maximale Festigkeit spezifiziert werden. Diese Teile können durch Eloxieren zusätzlich korrosionsgeschützt werden.

3. Validierung ist Pflicht: Mechanische Eigenschaften sind prozessspezifisch. Für sicherheitskritische Anwendungen sollten immer Materialprüfberichte vom Hersteller auf Basis der jeweiligen Prozessparameter angefordert werden.