Anwendungen & Wirtschaftlichkeit W3D-APP-28 ISO/ASTM 52900 Validiert

Funktionsgradientenwerkstoffe (FGM): Multimaterial-3D-Druck mit Laser-DED

Funktionsgradienten (FGM) im 3D-Druck: Kontinuierliche Legierungsüberblendung (z. B. Edelstahl auf Inconel, Titan auf Kupfer), Vermeidung spröder intermetallischer Phasen.

Stand: 2026-03-24 Lesezeit: 10 min Fachredaktion Additive Fertigung
Executive Summary & Technische Kernaussagen Normativer Status: Valide

Funktionsgradientenwerkstoffe (Functionally Graded Materials, FGM) überwinden das Dogma, dass ein Bauteil aus einer einzigen homogenen Legierung bestehen muss. Mittels Laser-DED (Pulverauftragschweißen mit mehreren computergesteuerten Pulverförderern) werden während des Druckprozesses zwei oder mehr unterschiedliche Metallpulver kontinuierlich in ihrem Mischungsverhältnis verändert. So lässt sich beispielsweise von zähem, kostengünstigem Edelstahl an der Bauteilbasis stufenlos auf hitzebeständiges Inconel 718 oder verschleißfestes Stellite an der Arbeitsfläche überblenden – ohne scharfe Schweißnaht und ohne Abplatzgefahr.

  • In-situ Legierungssynthese: Beliebige Mischungsverhältnisse zweier Werkstoffe Schicht für Schicht steuerbar.
  • Eliminierung abrupter Grenzflächen: Kontinuierliche Gradienten verteilen thermische Spannungen homogen.
  • Vermeidung spröder Phasen: Thermodynamische Pfadplanung (CALPHAD) umgeht intermetallische Versprödung.
  • Kombiniert scheinbar unvereinbare Eigenschaften: z. B. extreme Wärmeleitung (Kupfer) mit Hochtemperaturfestigkeit (Nickel).
Gradientenzonen
Stufenlos über 5 bis 50 mm
Pulverförderer
2 bis 4 unabhängige Kanäle
Typische Werkstoffpaare
316L <-> IN718 / Cu <-> Inconel
Thermodynamik
CALPHAD-Phasendiagramm-Planung

Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich

ISO/ASTM 52900
Konstruktionsansatz Funktionsgradient (FGM Laser-DED) Konventionelle Schweißverbindung Galvanische / PVD-Beschichtung
Grenzflächengeometrie Kontinuierlicher Übergang über Millimeter Scharfe Schweißnaht-Trennlinie Hauchdünne Schicht (Mikrometer)
Eigenspannungskonzentration Gleichmäßig im Raum verteilt Extrem hoch an Schmelzgrenze Scherungsrisiko bei Thermoschock
Intermetallische Sprödphasen Gezielt umgangen durch Zwischenlegierung Häufig unvermeidbar Keine Durchmischung
Schichtstärke der Funktionszone Beliebig (Zentimeter dick möglich) Zentimeter Nur 5 bis 50 µm
Thermische Wechselfestigkeit Hervorragend Rissanfällig an Bindefläche Gefahr von Schichtabplatzung
01

Thermodynamische Pfadplanung mittels CALPHAD

Nicht jedes Metallpaar lässt sich beliebig mischen. Mischt man Titan direkt mit Edelstahl, entstehen glasharte, extrem spröde intermetallische Eisen-Titan-Phasen (FeTi, Fe2Ti), die das Bauteil beim Abkühlen zerspringen lassen. Mittels thermodynamischer Rechenprogramme (CALPHAD / Thermo-Calc) wird ein sicherer Gradientenpfad über Pufferwerkstoffe berechnet: z. B. von Titan über Vanadium und Chrom zu Edelstahl. Die Zusammensetzung umgeht thermodynamisch gefährliche Phasengebiete.

02

Bimetallische Raketendüsen: Kupfer auf Inconel

In Raketenbrennkammern benötigt die brennkammerseitige Heißgaswand maximale Wärmeleitung (Kupferlegierung CuCr1Zr). Die äußere Strukturhülle muss jedoch gewaltigen Drücken und Zugspannungen bei 700 °C widerstehen (Inconel 718). Mittels FGM-Laser-DED wird direkt auf den additiven Kupferkern ein kontinuierlicher Übergang auf Inconel aufgeschmolzen. Das Bauteil ist ein einziger bimetallischer Monolith ohne Schweißfugen.

03

Verschleiß- und Korrosionsschutz im Turbinenbau

Turbinenschaufeln in Dampfkraftwerken benötigen an der Schaufelwurzel höchste Zähigkeit gegen Fliehkräfte, an der Schaufelkante jedoch maximale Erosionsbeständigkeit gegen Wassertröpfchenschlag. Durch FGM wird der Schaufelkörper aus kostengünstigem 12-%-Chromstahl aufgebaut, der an den erosionsgefährdeten Eintrittskanten stufenlos in kobaltbasiertes Stellite 6 übergeht.

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Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Welche Maschinentechnologie wird für FGM eingesetzt?
Vor allem pulverbasiertes Laser-DED mit mehreren synchron regelbaren Pulverdosierern. Im LPBF-Pulverbett ist FGM extrem schwierig, da das Pulverbett pro Schicht nur aus einer Mischung bestehen kann.
Wie steuert die Software die Pulvermischung?
Über volumetrische oder gravimetrische Schneckenförderer. Die Drehzahl jedes Förderers wird vom CNC-Code für jeden Vektor synchron zur Laserleistung vorgegeben.
Können FGM-Teile zerstörungsfrei geprüft werden?
Mittels Röntgen-CT und Wirbelstromprüfung. Da sich die Dichte und elektrische Leitfähigkeit kontinuierlich ändern, müssen die Prüfschwellenwerte entlang des Gradienten angepasst werden.

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