Qualität & Post-Processing W3D-QMS-23 ISO/ASTM 52900 Validiert

Heißrissbildung im LPBF: Erstarrungsrisse, Ursachen & Gegenmaßnahmen

Heißrisse im Metall-3D-Druck: Erstarrungsrisse (Solidification Cracking), Aufschmelzrisse, Kornfeinung mit Nanopartikeln (TiC, Zr), Beseitigung breiter Erstarrungsintervalle.

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

Heißrisse (Erstarrungsrisse und Aufschmelzrisse) sind der gefürchtetste metallurgische Defekt im metallischen 3D-Druck. Sie treten auf, wenn eine Legierung über ein breites Erstarrungsintervall (Solidus-Liquidus-Differenz) erstarrt: Während der Großteil des Gefüges bereits erstarrt ist und thermisch schrumpft, verbleiben an den Korngrenzen flüssige Schmelzfilme mit niedrigschmelzenden Verunreinigungen (Schwefel, Phosphor, Silizium). Die Schrumpfungsspannungen zerreißen diese feuchten Korngrenzen interkristallin. Dieser Leitfaden analysiert die Erstarrungsrisskriterien nach Rappaz und zeigt moderne Gegenmaßnahmen wie Kornfeinung durch Nanopartikel.

  • Breite Erstarrungsintervalle (Delta-T > 60 - 100 K) begünstigen das Aufreißen interdendritischer Flüssigkeitsfilme.
  • Kornfeinung (Inoculation): Zugabe von Nanopartikeln (TiC, Zr, Sc) wandelt säulenförmige Körner in äquiaxiales Gefüge.
  • RDG-Kriterium nach Rappaz, Drezet und Gremaud quantifiziert die Heißrissempfindlichkeit mathematisch.
  • Vermeidung von Spurenelementen: Strengste Grenzwerte für Schwefel, Phosphor und Blei im Metallpulver.
Erstarrungsintervall
T_Liquidus - T_Solidus [K]
Kritische Dehnrate
dEps/dt an Erstarrungsfront
Rissmorphologie
Interdendritisch / glatte Bruchflächen
Kornfeiner
TiC, TiB2, Al3Sc, Y2O3

Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich

ISO/ASTM 52900
Werkstoffklasse Heißrissneigung Hauptursache Erfolgreiche Gegenmaßnahme
Al-Legierungen 7075 / 2024 Extrem hoch (bislang unschweißbar) Breites Erstarrungsintervall + Zink/Kupfer-Seigerung Nanopartikel-Impfung (TiC-Nanopulver) oder AFSD
Superlegierungen (CM247LC, IN738) Sehr hoch Hoher Ti+Al Anteil (> 5 Gew.-%), Gamma-Prime Risse Bauplattenvorheizung bis 1.000 °C oder modifizierte Legierung
Austenitischer Edelstahl 310 / 316L Gering bei 316L (Delta-Ferrit) Erstarrung rein austenitisch (310) Einstellen von 3-8 % Primär-Delta-Ferrit im Gefüge
Werkzeugstähle (1.2343 / H13) Moderat bis hoch (Martensitrisse) Kohlenstoffmartensit bei Raumtemperatur Vorheizung auf 450 °C oberhalb Ms-Temperatur
01

Das Rappaz-Drezet-Gremaud (RDG) Heißrissmodell

Das RDG-Modell beschreibt den Druckabfall der flüssigen Restschmelze zwischen wachsenden Primärdendriten. Wenn thermische Schrumpfspannungen die Dendriten auseinanderziehen, muss flüssiges Metall aus dem Schmelzbad nachfließen (Feeding). Ist der Strömungswiderstand in den engen Dendritenkanälen zu groß, fällt der Druck unter einen kritischen Kavitationsdruck: Ein Mikroriss öffnet sich an der noch flüssigen Korngrenze.

02

Kornfeinung (Inoculation): Columnar-to-Equiaxed Transition (CET)

Lange säulenförmige Körner (Columnar Grains) sind anfällig für Heißrisse, da sich Verunreinigungen auf durchgehenden geraden Korngrenzen sammeln. Durch Beschichten des Pulvers mit Submikron-Partikeln (z. B. 1 % TiC oder Zirkonhydrid) entstehen bei der Erstarrung Millionen heterogene Keimbildungszentren. Das Gefüge erstarrt vollkommen feinkörnig und äquiaxial (Gleiche Korndurchmesser in allen Richtungen). Heißrisse werden mechanisch blockiert.

03

Anpassung von Schweißgeschwindigkeit und Schmelzbadform

Hohe Scangeschwindigkeiten ziehen das Schmelzbad tränenförmig in die Länge. Die Dendriten wachsen von beiden Seiten senkrecht aufeinander zu und stoßen in der Schmelzbadmitte frontal zusammen (Mittenriss). Durch Absenken der Scangeschwindigkeit oder Einsatz von Laserstrahlformung (Ringmoden) wird das Schmelzbad kreisrund und flach: Die Erstarrungsfronten treffen sich sanft, was Mittenrisse verhindert.

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Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Wie erkennt man Heißrisse im metallografischen Schliffbild?
Heißrisse verlaufen immer entlang von Korngrenzen (interkristallin) und weisen unter dem REM glatte, wellige Bruchflächen auf, die von erstarrten Restflüssigkeitsfilmen zeugen. Kaltrisse brechen dagegen scharfkantig spaltend.
Hilft HIP (Heißisostatisches Pressen) gegen Heißrisse?
Wenn Heißrisse vollständig im Inneren liegen und keine Verbindung zur Oberfläche haben, kann HIP die Rissflanken unter 1.000 bar diffusionsverschweißen. An der Oberfläche offene Risse können durch HIP nicht geschlossen werden.
Welche Rolle spielt Silizium bei Aluminiumlegierungen?
Silizium verengt das Erstarrungsintervall und liefert eutektische Restschmelze, die Hohlräume flüssig wieder auffüllt (gutes Feeding). Deshalb ist AlSi10Mg heißrissfrei, während reines Al 7075 ohne Modifikation stark reißt.

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