Quality & Post-Processing W3D-QMS-24 ISO/ASTM 52900 Validiert

Lack-of-Fusion Defects: Volumetric Energy Density and Diagnostics

Lack-of-fusion defects in LPBF: volumetric energy density thresholds, un-melted powder entrapment, severe stress concentrations, and process parameter optimization.

Stand: 2026-03-24 Lesezeit: 9 min Fachredaktion Additive Fertigung
Executive Summary & Key Engineering Takeaways Normative Status: Validated

Lack-of-fusion (LoF) voids arise when volumetric energy density fails to penetrate previous layers. Sharp crack-like geometry with entrapped powder particles severely diminishes fatigue resistance.

  • Entstehen bei zu geringer Volumenenergiedichte (VED = P / (v * h * t)) oder zu großem Hatch-Abstand.
  • Scharfkantige, flache Geometrie erzeugt gigantische Spannungsspitzen an den Rissenden unter Zuglast.
  • Schließen oft unaufgeschmolzene, intakte Pulverkörner in den Hohlräumen ein (im Schliffbild erkennbar).
  • Sichere Vermeidung durch Überlappungsgrade von mindestens 30 bis 50 % zwischen benachbarten Spuren.
Porenmorphologie
Flach, scharfkantig, unregelmäßig
Porengröße
50 bis > 300 µm
Ermüdungsverlust
bis zu 80 % Reduktion
Schmelzspurüberdeckung
optimal 35 - 50 %

Technical Specifications & Comparison Matrix

ISO/ASTM 52900
Parameter Bindefehler (Lack of Fusion) Gasporosität (Keyhole) Sinterpore (Binder Jetting)
Ursache Zu wenig Energie / zu schneller Scan Zu viel Energie / Verdampfung Unvollständige Diffusionsverdichtung
Form Scharfkantig, schlitzförmig Perfekt sphärisch (kugelig) Abgerundete Zwickelpore
Poreninhalt Unaufgeschmolzenes Pulver Argonschutzgas / Vakuum Leerer Porenraum
Ausrichtung Parallel zu Bauschichten (XY) Zufällig im Schmelzbadgrund Gleichmäßig im Bauteil verteilt
Vermeidung Laserleistung hoch, Hatch kleiner Laserleistung drosseln, Spot vergrößern Sinterzeit / Temperatur erhöhen
01

Geometric Overlap Criteria for Melt Tracks

Ein fehlerfreier Verbund erfordert, dass die Schmelzbadtiefe d_p mindestens 1.5-mal so groß ist wie die Schichtdicke t (d_p > 1.5 * t), damit die darunterliegende Lage sicher angeschmolzen wird. Gleichzeitig muss der Spurabstand (Hatch Distance h) kleiner sein als die Schmelzbadbreite w_p abzüglich eines Sicherheitszuschlags: h < 0.7 * w_p. Wird der Hatch-Abstand aus Produktivitätsgründen zu groß gewählt, klaffen zwischen den parallelen Schweißbahnen permanente Schlitze.

02

Notch Stress Concentrations under Cyclic Fatigue

Während kugelförmige Gasporen Spannungen relativ harmonisch umleiten (Spannungskonzentrationsfaktor Kt ca. 2.0 bis 3.0), wirken die spitzen Enden von Bindefehlern wie echte Risse mit Kt-Werten von über 10 bis 20. Unter zyklischer Zug-Druck-Beanspruchung im Wöhlerversuch initiiert der Riss sofort an der Bindefehler-Spitze und breitet sich dramatisch schnell aus.

03

The Process Window: Navigating LoF vs. Keyholing

Das optimale Prozessfenster im LPBF ist ein schmaler Korridor: Erhöht man die Laserleistung zu stark, um Bindefehler zu vermeiden, kippt das Schmelzbad bei Überschreiten der Verdampfungsschwelle in den Tiefschweißmodus (Keyholing) um, was Keyhole-Poren erzeugt. Prozessingenieure kalibrieren die Parameter über DoE-Versuchsreihen (Design of Experiments) exakt im Übergangsbereich.

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Frequently Asked Questions (FAQ)

Kann HIP (Heißisostatisches Pressen) Bindefehler heilen?
Interne Bindefehler können durch HIP geschlossen werden, sofern sich keine stabilen Oxidhäute auf den Rissflanken gebildet haben. Bei hoch oxidierten Spaltflächen schließen sich die Poren mechanisch, die metallurgische Diffusionsbindung bleibt jedoch geschwächt.
Wie werden Bindefehler zerstörungsfrei erkannt?
Über hochauflösende industrielle Computertomographie (Voxelgröße < 15 µm) oder Phased-Array-Ultraschallprüfungen mit transversaler Schalleinstrahlung.
Warum treten Bindefehler gehäuft an Bauteilrändern auf?
Weil am Übergang von der Innenfüllung (Hatch) zur Konturlinie (Border) der Laserstrahl oft abgebremst oder abgeschaltet wird. Stimmt das Delay-Timing der Scannerspiegel nicht, entsteht am Wendepunkt ein lokales Energieloch.

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