SLS - Selektives Lasersintern

 

Das selektive Lasersintern ist ein additives Fertigungsverfahren mit großem Potential für industrielle Anwendungen. Erzeugbare Werkstoffqualitäten und Festigkeiten liegen teilweise sogar über denen konventionell bearbeiteter Teile. Das SLS findet auch breiten Einsatz bei addtiver Fertigung mit Metallen. Aber wie funktionert die Technik genau? Welche Materialien kann man genau verarbeiten und was ist dabei zu beachten? Gibt es Nachteile? Antworten dazu werden in diesem Artikel betrachtet.

 

Geschichte SLS

 

Das selektive Lasersintern ist ein generatives Verfahren, bei dem die einzelnen Schichten eines Werkstückes mittels eines Lasers versintert werden. Durch den Laserstrahl werden die Materialpulverpartikel in kurzer Zeit so stark erhitzt, dass sie miteinander verschmelzen und sich anschließend verfestigen. Verfahrenstechnisch ist dieser Vorgang als Sintern zu bezeichnet. Das selektive Lasersintern wurde in den 1980er Jahren in den USA von Dr. Carl Deckard entwickelt und patentiert. Deckard und sein früherer Professor von der University of Texas, Prof. Joe Beaman gründeten anschließend die Firma Desktop Manufacturing Corporation (DTM Corp.). Im Jahre 2001 wurden die DTM Corp. dann  von 3D Systems aufgekauft.

 

Funktionsweise des Verfahrens:

 

Beim selektiven Lasersintern wird ein pulverförmiger Ausgangswerkstoff durch einen Laser kurz erhitzt, bis das Ausgangsmaterial schmilzt und sich die einzelnen Materialpartikel an der Oberfläche verbinden. Das Pulver hat dabei die Eigenschaft schnell abzukühlen, so dass es sich nach dem Schmelzprozess nicht weiter verformt und nur ein lokal begrenztes versintern der Partikel stattfindet. Das eingesetzte Pulver besteht häufig aus Kunststoffverbindungen (Polyamid), es können aber ebenfalls Metall- und Keramikpulver mit diesem Verfahren verarbeitet werden. Die Schichtstärke der einzelnen Pulver- bzw. Bauteilschichten ist allgemein vom Drucker abhängig, liegt beim SLS jedoch meist um die 100 µm. Eine Walze verteilt das Pulver mit der gewünschten Schichtstärke über einer Arbeitsplattform und der Laser fährt anschließend die vordefinierte Schichtkontur ab. Im Anschluss wird die Arbeitsplattform um eine Schichtdicke abgesenkt, die Walze verteilt eine neue Schicht Pulver und der Laser sintert den nächsten Layer. So wird das Bauteil schichtweise in µm-Schritten aufgebaut.

Durch die pulverförmige Struktur des Ausgangsmaterials ist der Detailierungsgrad beim SLS auf die Größe der einzelnen Pulverpartikel beschränkt. Die Rauheit der Bauteiloberfläche wird dadurch bspw. maßgeblich beeinflusst. Das Pulverbett hat zudem eine stabilisierende Wirkung, wodurch selbst bei Überhängen in der Bauteilkontur keine Stützstrukturen notwendig sind. Dies ist der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens gegenüber SLA und MJM. Die mit dem SLS erzeugten Objekte weisen auch eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit auf, wodurch sich das selektive Lasersintern nicht nur für Prototypen eignet, sondern auch für die Herstellung von belastbaren Endprodukten.

Das Verfahrensprinzip vom selektiven Lasersintern zeigt euch auch das folgende Video von Solid Concepts noch einmal schön ausführlich.

 

Verwendete Materialien

 

Die verschiedensten Werkstoffe können mittels SLS verarbeitet werden, so u. a. Werkzeug- und Edelstähle, Aluminium-, Titan- und Nickellegierungen, Kunststoffe in verschiedenen Variationen und Keramik.

Die Materialien liegen dabei in Pulverform vor und sind alle schmelzbar. Das in dünnen Schichten aufgetragene Pulver wird dann an den vorgesehenen Stellen teilweise durch einen Laser aufgeschmolzen, so dass die Pulverpartikel zusammenkleben (versintern).

SLS mit Kunststoff

Im Kunststoffbereich kommen Pulver aus Polyamiden, Polystyrolen und Polyetheretherketon (PEEK) zum Einsatz. Für die Verarbeitung dieser Werkstoffe sind besondere Anlagen notwendig. Diese müssen mit CO2-Lasern ausgestattet sein, die eine Wellenlänge emittieren, welche von den Kunststoffen sehr gut absorbiert wird.

So sind mit diesen SLS Materialien bspw. hochwertige Gussformen, seriennahe Rapid Prototyping Bauteile, Kleinserien und hochfeste Kunststoffteile hergestellbar.

SLS mit Metallen

Als metallische Werkstoffe werden verschiedene Stähle und Legierungen eingesetzt. Diese liegen meist als eutektoide Pulverlegierungen oder niedrigschmelzende Pulver vor. Erste Anlagen waren ebenfalls wie im Kunststoffbereich mit CO2-Lasern ausgerüstet. Aktuell sind jedoch Festkörperlaser wie Faser- und Scheibenlaser bevorzugt genutzt. Diese Laser ermöglichen eine bessere Fokussierbarkeit und Strahlungseinkopplung in das Pulverbett.

Mit metallischen SLS Materialien sind u. a. Zahnräder, Funktionsmodelle und Kleinserien von z. B. Flugzeugtriebwerkkomponenten herstellbar, aber auch Schmuck und Designobjekte sind gut möglich.

 

Vorteile - Nachteile

 

Vorteile SLS-Prozess:

  • sehr komplexe und zugleich filigrane Strukturen möglich
  • keine Stützstrukturen notwendig (der Prozess eignet sich damit besonders bei Bauteilen mit komplexen Geometrien)
  • hohe thermische und mechanische Belastbarkeit der Bauteile
  • bewegliche Bauteile sind in einem Stück druckbar

 

Nachteile SLS-Prozess:

  • die Bauteiloberfläche ist relativ rau (abhängig von der Größe der Pulverpartikel)
  • die Druckzeit ist im Vergleich zu anderen Verfahren relativ lang
  • hoher Pulververbrauch, da nur ca. 50 % Pulver einer Druckschicht wiederverwendet werden können

 

3D-Drucker

 

Die Preisspanne von metallverarbeitenden SLS-Druckeranlagen reicht von 10.000 € bis zu 1 Mio. € für Hochleistungsanlagen. Die erreichbaren Schichtstärken liegen im Bereich von 0,02 bis 0,2 mm.

Die Preise für kunststoffverarbeitende SLS-Anlagen liegen bei etwa 70.000 €. Dies sind Anlagen sind eher für industrielle Anwendungen vorgesehen. Es gibt aber auch einfache Anlagen als Bausatz für ca. 5.000 €. Die mögliche Schichtdicke der industriellen Anlagen liegt bei 0,06 bis 0,2 mm.