Einfluss der Abkühlrate auf die mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Zugproben aus 316L

Ernst & Sohn Nachwuchspreis bester Vortrag Münchener Stahlbautage 2019
Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) ist ein additiver Fertigungsprozess, mit dem steifigkeitsoptimierte Bauteile gewichtsreduziert gefertigt werden können. Die mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von gegossenen Bauteilen, im Idealfall sogar mit geschmiedeten. In der Luft- und Raumfahrtbranche sowie im Automotive-Bereich und Medizinsektor wird die additive Fertigung bereits eingesetzt. Für sicherheitsrelevante Bauteile wird jedoch die additive Fertigung bisher nur selten verwendet. Dies ist auf die unzuverlässige Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften zurückzuführen. Großer Forschungsbedarf besteht bspw. bei der Verknüpfung von LPBF-Produktionsparametern mit zuverlässigen Produktionsparametern. In diesem Bericht wird der Zusammenhang zwischen Abkühlraten im LPBF-Prozess und den resultierenden mechanischen Eigenschaften von 316L (1.4404) untersucht. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Probengeometrien additiv gefertigt und die jeweiligen Abkühlraten in situ mittels Thermografie erfasst. Anschließend wurden Zugversuche und metallografische Untersuchungen durchgeführt. Je nach Geometrie der Zugproben konnten verschiedene Abkühlraten nachgewiesen werden, die schlussendlich zu unterschiedlichen Zugfestigkeiten führten.

Effect of cooling rate on the mechanical properties of 316L tensile specimen, manufactured by Laser Powder Bed Fusion
Laser-Powder Bed Fusion (LPBF) is an additive manufacturing process, which allows weight savings of components through structural optimization without loss of stiffness. The mechanical properties are comparable with casted and - under ideal conditions - even with forged components. In the aerospace industry, as well as in the automotive and medical sector, LPBF is already applied. However, LPBF has only been used for components which are not safety-related. This is mainly due to the unreliable reproducibility of the mechanical properties of this process. Research has to be executed to find correlations between LPBF-parameters and reliable product properties. This report investigates the relationship between cooling rates in the LPBF process and the resulting mechanical properties of 316L (1.4404). For this purpose, different sample geometries were manufactured. The respective cooling rates were measured by in-situ-thermography. After that, tensile tests and metallurgical investigations were performed. Depending on the geometry, different cooling rates were observed, which finally led to different tensile strength results.