Leitfaden zum 3D-Druck mit selektivem Lasersintern (SLS)

Ingenieure und Hersteller aus verschiedenen Branchen setzen auf den 3D-Druck mit selektivem Lasersintern (SLS), da mit dieser Technologie starke, funktionsfähige Teile hergestellt werden können.

In diesem umfangreichen Leitfaden werden wir das selektive Lasersintern und die verschiedenen, auf dem Markt erhältlichen, Systeme und Materialien sowie den Arbeitsablauf mit SLS-Druckern und die verschiedenen Anwendungen abdecken. Gleichermaßen werden wir darauf eingehen, wann selektives Lasersintern anderen additiven und herkömmlichen Herstellungsverfahren vorzuziehen ist.

Selektives Lasersintern ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Hochleistungslaser zum Einsatz kommt, der kleine Polymerpulverpartikel zu einer massiven Struktur sintert, die auf einem 3D-Modell basiert. 

SLS-3D-Druck erfreut sich seit Jahrzehnten großer Beliebtheit bei Ingenieuren und Herstellern. Durch geringe Teilkosten, hohe Produktivität und bewährte Materialien, eignet sich die Technologie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen vom Rapid Prototyping bis hin zur Kleinserien-, Brücken- oder individuellen Fertigung.

Die jüngsten Fortschritte in Sachen Technik, Material und Software haben SLS-3D-Druck für eine größere Anzahl an Unternehmen zugänglich gemacht und es immer mehr Firmen ermöglicht, die Werkzeuge zu nutzen, die zuvor auf wenige High-Tech-Sektoren beschränkt waren.

Der Fuse 1: SLS-3D-Druck mit hoher Leistung ist endlich zugänglich.

1. Drucken: Das Pulver wird in einer dünnen Schicht auf einer Plattform innerhalb der Konstruktionskammer verteilt. Der Drucker erhitzt das Pulver auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Rohmaterials. Dadurch erhöht der Laser leichter die Temperatur bestimmter Bereiche des Pulverbettes, während er das Modell verfestigt. Der Laser tastet einen Querschnitt des 3D-Modells ab und erhitzt dabei das Pulver auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunktes des Materials oder exakt darauf. So werden die Partikel mechanisch verschweißt und es entsteht ein solides Teil. Da das ungesinterte Pulver das Teil beim Drucken stützt, sind keine zusätzlichen Stützstrukturen erforderlich. Die Plattform senkt sich anschließend um eine Schicht in die Konstruktionskammer, in der Regel zwischen 50 und 200 Mikrometer. Der ganze Prozess wiederholt sich dann für jede Schicht, bis das Teil fertiggestellt ist.

2. Abkühlen: Nach dem Druck muss die Konstruktionskammer abkühlen, erst innerhalb des Druckgehäuses und anschließend außerhalb, damit die optimalen mechanischen Eigenschaften sichergestellt sind und sich die Teile nicht verformen.

3. Nachbearbeiten: Die fertigen Teile müssen aus der Konstruktionskammer entnommen, getrennt und von überschüssigem Pulver befreit werden. Das Pulver kann wiederverwendet werden und die Druckteile lassen sich mittels Bestrahlung oder Gleitschleifen nachbearbeiten.

Den detaillierten Arbeitsablauf finden Sie unten im Abschnitt „Der Arbeitsprozess beim SLS-3D-Druck“.

Da das ungesinterte Pulver das Teil beim Drucken stützt, sind keine dedizierten Stützstrukturen erforderlich. SLS eignet sich somit ideal für komplexe Geometrien, wie Merkmale im Inneren von Teilen, Hinterschneidungen, dünne Wände und negative Details. 

Teile, die mit SLS gefertigt wurden, bieten herausragende mechanische Eigenschaften, deren Festigkeit mit der von Spritzgussteilen vergleichbar ist.

Selektives Lasersintern (SLS) war eines der ersten additiven Herstellungsverfahren, die Mitte der 80er Jahre von Dr. Carl Deckard und Dr. Joe Beaman an der University of Texas in Austin entwickelt wurde. Ihr Verfahren wurde seitdem an die Verarbeitung einer Reihe von Materialien angepasst, darunter Kunststoffe, Metalle, Glas, Keramik und verschiedene Verbundwerkstoffpulver. Heute werden diese Technologien kollektiv als Pulverbettfusion kategorisiert — additive Fertigungsverfahren, bei denen selektive Bereiche eines Pulverbettes durch Wärmeenergie verschmolzen werden.

Die beiden gebräuchlichsten Pulverbett-Fusionssysteme basieren heute auf Kunststoff, allgemein als SLS bezeichnet, sowie auf Metall, bekannt als direktes Metall Laser-Sintern (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) oder selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM). Bis vor Kurzem waren diese beiden Systeme noch unerschwinglich teuer und komplex. Dies führte dazu, dass ihre Verwendung auf die Herstellung kleiner Mengen hochwertiger oder kundenspezifischer Teile wie Luft- und Raumfahrtkomponenten oder medizinische Geräte beschränkt war.

Die Innovationsbereitschaft ist auf diesem Gebiet in letzter Zeit jedoch gestiegen und das auf Kunststoff basierte SLS wird nun dem Beispiel anderer 3D-Drucktechnologien wie Stereolithografie (SLA) und Schmelzschichtung (FDM) folgen, um mit zugänglichen kompakten Systemen eine hohe Akzeptanz zu erzielen.

Alle SLS-Systeme bauen auf dem oben beschriebenen Verfahren auf. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind die Art des Lasers, die Größe des Fertigungsvolumens und die Komplexität des Systems. Es kommen, je nach Drucker, verschiedene Lösungen für die Temperaturregelung, die Pulverabgabe und die Schichtabscheidung zum Einsatz.

Selektives Lasersintern erfordert ein hohes Maß an Präzision und strenge Kontrollen während des gesamten Druckvorgangs. Die Temperatur des Pulvers zusammen mit den (nicht fertiggestellten) Teilen müssen vor dem Entfernen während der drei Stufen des Vorheizens, der Sinterung und der Lagerung innerhalb von 2 °C kontrolliert werden, um Verzug, Spannungen und wärmeinduzierte Formänderungen zu minimieren.

Selektives Lasersintern war bei Fachleuten jahrzehntelang eines der beliebtesten 3D-Druckverfahren, doch seine Komplexität, seine Anforderungen und sein hoher Preis haben die Anwendung bislang auf Dienstleister und große Unternehmen begrenzt. 

Traditionelle industrielle SLS-3D-Drucksysteme nutzen einen einzigen oder mehrere Hochleistungslaser. Der Druckvorgang erfordert eine Inertgasatmosphäre, etwa aus Stickstoff, um zu verhindern, dass das Pulver oxidiert und Qualität einbüßt. Deswegen ist eine spezielle Lüftungsanlage erforderlich. 

Diese Geräte erfordern zudem spezielle Klimaanlagen und eine Starkstromversorgung, und selbst die kleinsten Industriedrucker benötigen eine Standfläche von mindestens 10 m².

Bei einem Einstiegspreis von 100 000 USD – der Preis für Komplettlösungen liegt weit darüber – war herkömmliches industrielles SLS für viele Unternehmen bislang unzugänglich.

Genau wie bei den anderen 3D-Drucktechnologien wie FDM oder SLA, gibt es seit Kurzem kostengünstigere, kompakte SLS-Systeme auf dem Markt, bei denen jedoch erhebliche Kompromisse eingegangen wurden. Dazu gehören eine geringere Teilequalität und komplexe, manuelle Arbeitsabläufe, da es keine Nachbearbeitungslösungen gibt. Dadurch war ihr Einsatz bislang auf industrielle und Fertigungsanwendungen begrenzt.

Mit dem Formlabs Fuse 1 soll diese Lücke geschlossen und eine eigene Gerätekategorie geschaffen werden: Er ist der erste industrielle Benchtop-SLS-3D-Druck, der hohe Qualität, kompakte Abmessungen und einen umfassenden, vereinfachten Arbeitsablauf zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher industrieller SLS-Systeme bietet.

Beim Fuse 1 kommt ein einziger Laser zum Einsatz. Durch seine kleinere Konstruktionskammer ist weniger Heizleistung erforderlich. Da das Pulver für einen kürzeren Zeitraum höheren Temperaturen ausgesetzt ist, sind keine Inertgase oder speziellen Lüftungsanlagen notwendig. Dank des insgesamt niedrigeren Energieverbrauchs, kann er mit Standard-Wechselstrom ohne spezielle Infrastruktur betrieben werden.

Der Fuse 1 verfügt über eine als Patent angemeldete Lösung namens Surface Armor, ein teilweise gesintertes Gehäuse, das dafür sorgt, dass der Bereich um die Teile beim Druck gleichmäßig erwärmt wird, was eine hervorragende Oberflächengüte, einheitliche mechanische Eigenschaften, hohe Zuverlässigkeit und günstige Neuzuführungsraten ermöglicht.

Um Ihnen ein kompaktes, integriertes Ökosystem und einen Pulverhandhabungskreislauf zu bieten, verfügt der Fuse 1 über den Fuse Sift, eine Pulverrückgewinnungsstation und Komplettlösung, die die Teileentnahme, Pulverrückgewinnung, Lagerung und das Mischen in einem einzigen, freistehenden Gerät kombiniert. 

Insgesamt bietet der industrielle Benchtop-SLS-3D-Druck mit dem Fuse 1 gegenüber den kleinsten industriellen SLS-Systemen ein geringfügig kleineres Druckvolumen, jedoch einen wesentlich geringeren Platzbedarf, einen vereinfachten Arbeitsablauf und niedrigere Kosten.

Der SLS-3D-Druck beschleunigt die Innovation und unterstützt Unternehmen in einer Vielzahl von Branchen, darunter im Maschinenbau, der Fertigung und dem Gesundheitswesen. 

Konstruieren Sie Ihr Modell mit einer beliebigen CAD-Software oder 3D-Scandaten und exportieren Sie es in einem für den 3D-Druck geeigneten Dateiformat (STL oder OBJ). Jeder SLS-Drucker verfügt über eine Software, mit der Druckeinstellungen vorgenommen, Teile ausgerichtet und angeordnet, Druckzeiten berechnet und die digitalen Modelle schichtweise untersucht werden können. Sobald die Einrichtung abgeschlossen ist, sendet die Druckvorbereitungssoftware die Anweisungen über eine Drahtlos- oder Kabelverbindung an den Drucker.

Der Arbeitsablauf zum Vorbereiten des Druckers hängt vom System ab. Die meisten traditionellen SLS-Systeme erfordern umfangreiche Schulungen, Werkzeuge und körperliche Anstrengung für Vorbereitung und Wartung. 

Der Fuse 1 revolutioniert den SLS-Arbeitsablauf mit seiner Einfachheit und Effizienz, wobei modulare Bauteile den unterbrechungsfreien Druck und einen geschlossenen Pulverkreislauf ermöglichen.

Sobald alle Überprüfungen vor dem Drucken abgeschlossen sind, ist der Fuse 1 druckbereit. Die Druckzeit bei SLS-3D-Drucken kann nur wenige Stunden oder gar mehrere Tage betragen. Dies hängt von der Größe und Komplexität der Teile sowie von der Teildichte ab.

Nachdem ein Druck abgeschlossen ist, muss die Konstruktionskammer im Druckergehäuse vor dem nächsten Schritt etwas abkühlen. Anschließend kann die Konstruktionskammer entfernt und eine neue eingesetzt werden, um den nächsten Druck zu starten. Die Konstruktionskammer muss vor der Nachbearbeitung abkühlen, damit die optimalen mechanischen Eigenschaften sichergestellt sind und ein Verziehen der Teile vermieden wird. Dieser Vorgang kann die Hälfte der Druckzeit beanspruchen.

Die Nachbearbeitung von SLS-Teilen nimmt im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren wenig Zeit und Aufwand in Anspruch. Sie lässt sich leicht skalieren und liefert einheitliche Ergebnisse bei den Chargen, da keine Stützstrukturen erforderlich sind.

Nach Abschluss eines Druckauftrags müssen die fertiggestellten Teile aus der Baukammer entfernt, voneinander getrennt und von überschüssigem Pulver gereinigt werden. Dieser Vorgang erfolgt in der Regel manuell an einer Reinigungsstation mit Druckluft oder einem Strahlgerät mit einem bestimmten Strahlmittel.

Überschüssiges Pulver, das nach der Teilentnahme verbleibt, wird gefiltert, um größere Partikel zu entfernen, und kann anschließend recycelt werden. Nicht verschmolzenes Pulver büßt bei hohen Temperaturen geringfügig an Qualität ein, sodass es für nachfolgende Druckaufträge mit neuem Material aufgefrischt werden sollte. Aufgrund der Wiederverwertbarkeit des Materials für Folgeaufträge, ist SLS eine der abfallärmsten Herstellungsmethoden.

Ein häufiger Ansatz im SLS-Bereich ist es, ein Gerät zur Wiedergewinnung des Pulvers anzubieten, eins zur Lagerung und weitere zum Mischen von Pulver. Im Arbeitsablauf des Fuse 1 werden die Entnahme von Teilen und ungesintertem Pulver sowie die Lagerung, Dosierung und Mischung von Pulver von nur einem Gerät übernommen, dem Fuse Sift.

SLS-3D-Druckteile können nach dem Sieben verwendet werden. Jedoch gibt es noch weitere Nachbearbeitungsschritte für SLS-Teile, die ebenfalls von Interesse sein können.

SLS-3D-Druckteile haben von Haus aus eine grobe Oberflächenbeschaffenheit. Formlabs empfiehlt das Strahlen mit einem Strahlmittel oder das Gleitschleifen von SLS-Druckteilen, um eine glattere Oberflächengüte zu erzielen. Die Teile können besprüht, lackiert, galvanisiert und beschichtet werden, um ihnen verschiedene Farben, Oberflächenbeschaffenheiten und Eigenschaften zu verleihen, darunter Wasserdichtigkeit (Beschichtung) und Leitfähigkeit (Galvanisieren). Formlabs SLS-Teile sind dunkel und eignen sich deshalb nicht gut zum Färben.

Ingenieure und Hersteller wählen SLS aufgrund der Gestaltungsfreiheit, der hohen Produktivität und des hohen Durchsatzes, der niedrigeren Stückkosten und der bewährten Materialien für die Endverwendung.

Für die meisten additiven Herstellungsverfahren, wie Stereolithografie (SLA) und Schmelzschichtung (FDM), sind zur Herstellung von Designs mit überhängenden Merkmalen spezielle Stützstrukturen notwendig.

Beim selektiven Lasersintern sind keine Stützstrukturen notwendig, da nicht gesintertes Pulver das Teil während des Drucks umgibt. Mit SLS sind Überhänge, filigrane Geometrien, ineinandergreifende bewegliche Teile, Teile mit Innenkanälen sowie weitere komplexe Formen möglich.

Ingenieure entwickeln Teile in der Regel unter Berücksichtigung des endgültigen Herstellungsverfahrens, was auch als Design for Manufacturing (DFM) bekannt ist. Wird zur Fertigung von Prototypen nur das additive Herstellungsverfahren eingesetzt, dann ist es auf Teile und Formen beschränkt, die sich durch herkömmliche Fertigungswerkzeuge während der Produktion reproduzieren lassen.

Da selektives Lasersintern für eine zunehmende Anzahl von Endanwendungen ein durchführbares Herstellungsverfahren wird, lassen sich mit diesem System neue Design- und Engineering-Möglichkeiten verwirklichen. Mit SLS 3D-Druckern können komplexe Designs hergestellt werden, die mit herkömmlichen Verfahren entweder gar nicht oder nur mit hohem Kostenaufwand gefertigt werden können. Mit SLS können Designer auch komplexe Baugruppen, die gewöhnlich aus mehreren Teilen bestehen, zu einem einzigen Teil zusammenführen. So können schwache Verbindungen vermieden und die Montagezeit verkürzt werden.

Selektives Lasersintern kann das volle Potenzial des generativen Designs ausschöpfen, indem es leichte Designs mit komplexen Gitterstrukturen umsetzen kann, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich wären.

SLS ist das schnellste additive Fertigungsverfahren zur Herstellung funktionaler, strapazierfähiger Teile und Endverbraucherteile. Die Laser, die das Pulver verschmelzen, haben eine wesentlich schnellere Abtastgeschwindigkeit und sind genauer als die Schichtabscheideverfahren, die in anderen Prozessen wie dem industriellen FDM zum Einsatz kommen.

Während des Drucks können mehrere Teile eng aneinander angeordnet werden, um den verfügbaren Fertigungsraum maximal zu nutzen. Die Bediener verwenden zur Optimierung jedes Drucks und für höchste Produktivität spezielle Software und lassen deshalb nur wenig Abstand zwischen den einzelnen Teilen.

Der Schlüssel zur Funktionalität und Vielseitigkeit des SLS-3D-Drucks sind die Materialien. Nylon, Nylon-Verbundwerkstoffe und TPU sind bewährte, hochwertige Thermoplaste. 

SLS-Nylon ist eine perfekte Alternative zu gebräuchlichen Spritzguss-Kunststoffen. Schnappverbindungen und mechanische Gelenke aus SLS-Nylon sind allen anderen additive Fertigungsverfahren deutlich überlegen. Es eignet sich ideal für funktionale Anwendungen, für die Kunststoffteile benötigt werden, die langlebig sind, während Teile, die mit anderen additiven Fertigungsverfahren produziert wurden, abbauen und im Laufe der Zeit spröde werden.

SLS-Druck von TPU bietet eine großartige Alternative zu traditionellen Formverfahren und ist anderen 3D-Druckverfahren zur Produktion zäher und langlebiger flexibler Teile überlegen. Es eignet sich ideal für Rapid Prototyping, Fertigungshilfen auf Abruf und Sonderanfertigungen oder Kleinserien von Endverbrauchsteilen.

Bei der Berechnung der Stückkosten müssen in der Regel die Eigentumskosten für die Ausrüstung sowie die Material- und Arbeitskosten berücksichtigt werden.

• Anschaffungskosten: Je mehr Teile eine Maschine über ihre Lebensdauer produzieren kann, desto geringer sind die Stückkosten. Infolgedessen führt eine höhere Produktivität pro Stück zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten für die Ausrüstung. Angesichts der schnellen Abtastgeschwindigkeit des Lasers, der Einbettung von Teilen zur Maximierung der Druckkapazität sowie der einfachen Nachbearbeitung, bietet SLS die höchste Produktivität und den höchsten Durchsatz aller additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffteile.

• Material: Während die meisten 3D-Drucktechnologien proprietäre Materialien verwenden, ist Nylon ein geläufiger Thermoplast, der in großen Mengen für industrielle Zwecke hergestellt wird, und damit einer der billigsten Rohstoffe für die additive Fertigung ist. Da beim SLS-3D-Druck keine Stützstrukturen erforderlich sind und das Pulver wiederverwendet werden kann, fällt nur wenig Abfall an.

• Arbeitsaufwand: Die Achillesferse vieler 3D-Drucklösungen ist der Arbeitsaufwand. Die meisten Verfahren haben komplexe Workflows, die schwer zu automatisieren sind, was die Stückkosten wesentlich beeinflussen kann. Dank des einfachen Nachbearbeitungs-Workflows ist bei SLS jedoch ein geringerer Arbeitsaufwand notwendig.

Ein großformatiger SLS 3D-Drucker erfordert anfänglich eine erhebliche Investition, macht diese jedoch noch schneller als kleinere Geräte wett. Benchtop-SLS senkt diese Einstiegshürde sowie die Stückkosten bei den meisten Anwendungen erheblich.

Das Outsourcing der Fertigung an Dienstleister empfiehlt sich, wenn Sie den 3D-Druck nur gelegentlich nutzen, ist aber auch mit höheren Kosten und längeren Durchlaufzeiten verbunden. Einer der größten Vorteile des 3D-Drucks ist seine Schnelligkeit im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden, was jedoch schnell an Relevanz verliert, wenn ein outgesourctes Teil erst Tage oder gar Wochen später ankommt.

Dank selektivem Lasersintern können Ingenieure Prototypen bereits frühzeitig im Entwurfszyklus herstellen und anschließend dasselbe Gerät und dasselbe Material zur Herstellung von Endverbrauchsteilen verwenden. Für SLS ist nicht dieselbe teure und zeitaufwendige Werkzeugbestückung wie für die herkömmliche Fertigung notwendig. So können Prototypen-Teile und -Baugruppen im Laufe weniger Tage getestet und leicht modifiziert werden. Dadurch wird auch die Produktentwicklungszeit drastisch reduziert.

Angesichts der geringen Stückkosten und der robuste Materialien, stellt SLS eine sparsame Methode zur Herstellung komplexer Sonderanfertigungen oder einer Serie kleiner Komponenten für Endprodukte dar. In vielen Fällen ist SLS eine kostengünstige Alternative zum Spritzgießen für die Fertigung einer begrenzten Stückzahl oder das Bridge Manufacturing.

Bisher waren industrielle SLS 3D-Drucker für die meisten Unternehmen unerschwinglich. Die Kosten für eine einzige Maschine beliefen sich bislang auf über 100 000 $.

Mit dem Fuse 1 bringt Formlabs die industrielle Leistung des selektiven Lasersinterns (SLS) an Ihren Arbeitsplatz. Die Technologie bietet Hochleistungsmaterialien zum geringstmöglichen Stückpreis sowie eine kompakte Standfläche und einen einfachen Arbeitsablauf.

Der Fuse 1 eröffnet jetzt neue Möglichkeiten für die unabhängige Fertigung und Prototypenerstellung.