Selective Laser Sintering in Action

Einführung in SLS 3D-Druck

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Selektives Lasersintern (Selective Laser Sintering, SLS) ist eine additive Herstellungstechnologie, bei der mithilfe eines Lasers pulverförmiges Kunststoffmaterial auf Basis eines 3D-Modells in eine feste Struktur gesintert wird. SLS ist bereits seit Jahrzehnten eine beliebte Wahl unter Ingenieuren in der Produktentwicklung. Aufgrund der niedrigen Stückkosten, der hohen Produktivität und der etablierten Materialien ist die Technologie ideal für eine Reihe von Anwendungen geeignet: von der Herstellung funktionaler Prototypen bis hin zur Fertigung kleiner Chargen oder zur Überbrückungsfertigung.

Dank jüngster Fortschritte im Hinblick auf Maschinen, Materialien und Software ist SLS für ein breiteres Spektrum an Unternehmen zugänglich geworden. Dadurch können immer mehr Unternehmen Werkzeuge nutzen, die bisher auf wenige Hightech-Branchen beschränkt waren.

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

Inhaltsverzeichnis:

  1. Die Ursprünge von SLS
  2. Wie SLS funktioniert
  3. Arten von SLS-Systemen
  4. Nylon: Das Material für die Herstellung von Prototypen und Produktionsteilen
  5. Welche Gründe sprechen für SLS?
  6. Lernen Sie Fuse 1 kennen

Die Ursprünge von SLS

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, darunter Kunststoffe, Metalle, Glas, Keramik und verschiedene Verbundwerkstoffpulver, angepasst. Heute werden diese Technologien kollektiv als Pulverbettfusion kategorisiert — ein additives Herstellungsverfahren, bei dem 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 Direktmetall-Lasersintern (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) oder selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM). Bis vor Kurzem waren diese beiden System 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 Fusion Deposition Modeling (FDM) folgen, um mit zugänglichen kompakten Systemen eine hohe Akzeptanz zu erzielen.

Wie SLS funktioniert

SLS 3D-Drucker verschmelzen mithilfe eines Hochleistungslasers kleine Partikel aus Polymerpulver.

Das Druckverfahren

Das Pulver wird in einer dünnen Schicht auf einer Plattform innerhalb der Baukammer verteilt.
Der Drucker erwärmt das Pulver auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunktes des Rohmaterials. Dadurch kann der Laser im Zuge der Abtastung des Modells und Verfestigung des Teils die Temperatur bestimmter Bereiche des Pulverbettes leichter erhöhen.
Der Laser tastet einen Querschnitt des 3D-Modells ab und wärmt das Pulver auf knapp unterhalb des Schmelzpunktes oder den korrekten Schmelzpunkt des Materials vor. Dadurch werden die Partikel mechanisch zu einem festen Teil verschmolzen. Das nicht verschmolzene Pulver stützt das Teil während des Druckverfahrens, sodass keine speziellen Stützstrukturen notwendig sind.
Die Plattform sinkt um eine Schicht in die Baukammer, in der Regel zwischen 50 und 200 Mikrometer, und ein Nachbeschichter trägt eine neue Pulverschicht auf die Oberfläche auf. Der Laser tastet anschließend den nächsten Querschnitt des Modells ab.
Dieser Vorgang wiederholt sich für jede Schicht, bis die Teile vollständig sind. Die fertiggestellten Teile werden zum allmählichen Abkühlen im Inneren des Druckers gelassen.
Sobald die Teile abgekühlt sind, entfernt der Bediener die Baukammer aus dem Drucker und überträgt sie in eine Reinigungsstation. Dort trennt er die geformten Teile voneinander und reinigt sie von überschüssigem Pulver.

Im Rahmen des SLS-Verfahrens wird mithilfe eines Lasers und auf Basis eines 3D-Modells pulverförmiges Kunststoffmaterial zu einer festen Struktur gesintert.
Im Rahmen des SLS-Verfahrens wird mithilfe eines Lasers und auf Basis eines 3D-Modells pulverförmiges Kunststoffmaterial zu einer festen Struktur gesintert.

Teilerückgewinnung und Nachbearbeitung

Die SLS-Nachbearbeitung erfordert minimalen Zeit- und Arbeitsaufwand und führt bei der Herstellung von Chargen und vielen weiteren Teilen zu konsistenten Ergebnissen.

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 Medium.

SLS-Teile weisen direkt nach dem Druckverfahren eine etwas grobe, körnige Oberfläche ähnlich einem mittelkörnigen Schmirgelpapier auf. Nylon bietet eine Reihe von Nachbearbeitungsmöglichkeiten wie Trommellackieren, Tönen, Lackieren, Einbrennlackieren, Metallbeschichten, Kleben, Pulverbeschichten und Beflocken.

Materialrückgewinnung

Jegliches überschüssige Pulver, das nach der Teilerückgewinnung verbleibt, wird gefiltert, um größere Teilchen zu entfernen, und kann anschließend recycelt werden. Nicht verschmolzenes Pulver verschlechtert sich leicht bei hohen Temperaturen, sodass es für nachfolgende Druckaufträge mit neuem Material aufgefrischt werden sollte. Aufgrund der Wiederverwertbarkeit des Materials für Folgeaufträge ist SLS eine der ausschussärmsten Herstellungsmethoden.

Arten von SLS-Systemen

All SLS systems are built around the process described above. The main differentiators are the type of laser and the size of the build volume. Different systems employ different solutions for temperature control, powder dispensing, and layer deposition.

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

Industrielles SLS

Industrielles SLS wird für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, von Ersatzteilen weltweit größten Nutzfahrzeughersteller to Kleidungsstücken mit kundenspezifischen Druckmotiven. Die größten Systeme können 1 Meter lange Teile drucken.

Industrielle SLS-Systeme setzen einen einzigen oder mehrere Hochleistungs-Kohlendioxid-Laser ein. Je größer das Druckvolumen, desto komplexer das System. Für industrielles SLS ist eine inerte Umgebung – Stickstoff oder andere Gase – notwendig, um zu verhindern, dass das Pulver oxidiert und sich verschlechtert. Deshalb sind für industrielles SLS spezielle Lüftungsanlagen erforderlich. Gleichermaßen benötigen diese Systeme industrielle Leistung. Selbst die kleinsten Industriemaschinen beanspruchen mindestens 10 m² Installationsraum.

Benchtop SLS 3D-Drucker

Benchtop SLS-Systeme (wie Formlabs eigenes Modell Fuse 1) erzielen eine mit industriellen Systemen vergleichbare Leistung, nur in einem kompakteren, handlicheren Design

Für Desktop-SLS-Systeme ist keine spezielle Infrastruktur notwendig. Außerdem lassen sie sich leicht in Ihren Arbeitsplatz integrieren.
Benchtop SLS requires no specialized infrastructure, and can easily fit into your workspace.

Desktop-Systeme setzen einen Dioden- oder Faserlaser anstelle der von industriellen Systemen verwendeten CO2-Laser ein, um eine gleichwertige Strahlqualität zu niedrigeren Kosten zu liefern.

Aufgrund des kleineren Druckvolumens eines Desktop-Gerätes ist weniger Wärmeleistung erforderlich. Da das Pulver für einen kürzeren Zeitraum höheren Temperaturen ausgesetzt ist, sind keine Inertgase oder speziellen Lüftungsanlagen notwendig. Dank des insgesamt niedrigeren Energieverbrauchs können Desktop-Systeme mit Standard-Wechselstrom ohne spezielle Infrastruktur betrieben werden.

Insgesamt bieten Desktop-Systeme gegenüber den kleinsten industriellen SLS-Systemen ein geringfügig kleineres Druckvolumen und eine geringere Geschwindigkeit, jedoch einen wesentlich geringeren Platzbedarf und niedrigere Kosten.

Vergleich von SLS-Systemen

erschwinglich
Benchtop SLS Industrielles SLS
Preis Beginnt bei $10,000 $200,000-$1,000,000+
Druckvolumen Bis zu 165 x 165 x 320 mm Bis zu 550 x 550 x 750 mm
Pros erschwingliche
vereinfachter Workflow
wartungsarm
geringer Platzbedarf
großes Bauvolumen
hohe Produktionsrate
umfangreiche Materialauswahl
Nachteile durchschnittliches Bauvolumen teure Geräte
hoher Platzbedarf
hohe Wartung
Bediener erforderlich

Der Vergleich basiert auf Formlabs Desktop-SLS-System Fuse 1 und den industriellen SLS-Systemen von EOS und 3D Systems.

Nylon: Das Material für die Herstellung von Prototypen und Produktionsteilen

Das gebräuchlichste Material für selektives Lasersintern ist Nylon, ein beliebter Engineering-Thermoplast, der für seine leichten, robusten und flexiblen Eigenschaften bekannt ist. Nylon ist gegen Stöße, Chemikalien, Hitze, UV-Licht, Wasser und Schmutz resistent.

Nylon eignet sich ideal für eine Reihe funktionaler Anwendungen, von der Entwicklung von Konsumgütern bis hin zu Produkten des Gesundheitswesens.
Nylon eignet sich ideal für eine Reihe funktionaler Anwendungen, von der Entwicklung von Konsumgütern bis hin zu Produkten des Gesundheitswesens.

Nylon ist ein synthetisches Thermoplast-Polymer, das zur Familie der Polyamide gehört. Die beiden für selektives Lasersintern gewöhnlich eingesetzten Versionen sind Nylon 11 und 12 bzw. PA11 und PA12.

PA ist die Abkürzung für Polyamid und die Zahlen stehen für die Anzahl von Kohlenstoffatomen im Material. Beide haben ähnliche Materialeigenschaften. PA11 ist etwas flexibler und schlagfester, während PA12 robuster, abriebfester und biokompatibel ist.

SLS-Nylon-Materialeigenschaften

Nylon PA12 Nylon PA11
Zugfestigkeit 50 MPa 48 MPa
Elastizitätmodul 1850 MPa 1560 MPa
Bruchdehnung 12% 35%
Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) 154 °C @ 0.45 MPa 130 °C @ 0.45 MPa

Nylon 11 und 12 sind beide Einkomponenten-Pulver. SLS-3D-Drucker sind jedoch auch für Zweikomponenten-Pulver wie Pulverbeschichtung oder Pulvermischungen geeignet. Es werden Nylon-Verbundwerkstoffe mit Aluminid, Kohlenstoff oder Glas entwickelt, um Teile mit optimierter Robustheit, Steifheit oder Flexibilität zu fertigen. Bei diesen Zweikomponenten-Pulvern wird nur die Komponente mit dem niedrigeren Glasübergangspunkt gesintert, wodurch beide Komponenten miteinander verbunden werden.

Welche Gründe sprechen für SLS?

ngenieure wählen SLS aufgrund der Gestaltungsfreiheit, der hohen Produktivität und des hohen Durchsatzes, aufgrund der niedrigeren Stückkosten und der bewährten Erfolgsbilanz, die dieses System zu bieten hat.

Gestaltungsfreiheit

Für die meisten additiven Herstellungsverfahren wie Stereolithografie (SLA) und Fused Deposition Modeling (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 stützt. Mit SLS sind bisher unmögliche Geometrien möglich, wie beispielsweise ineinandergreifende oder bewegliche Teile, Teile mit Innenkomponenten oder Kanälen sowie weitere höchst komplexe Formen.

Handschiene mit komplexem Muster zur Gewichtsreduzierung.
Handschiene mit komplexem Muster zur Gewichtsreduzierung.

Ingenieure entwickeln Teile in der Regel unter Berücksichtigung des endgültigen Herstellungsverfahrens, auch als Design for Manufacturing (DFM) bekannt. 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 letztlich reproduzieren lassen.

Da SLS für eine zunehmende Anzahl von Endanwendungen ein durchführbares Herstellungsverfahren wird, lassen sich mit diesem System neue Design- und Engineering-Möglichkeiten verwirklichen. Mit SLS können komplexe Designs in einem einzigen Druck hergestellt werden, während normalerweise mehrere Teile nötig wären. Dadurch werden schwache Verbindungen verhindert und die Montagezeit reduziert.

Selektives Lasersintern kann das volle Potenzial aus dem generativen Design holen, indem es leichte Designs mit komplexen Gitterstrukturen ermöglicht, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich wären.

Hohe Produktivität und hoher Durchsatz

SLS ist die schnellste additive Herstellungstechnologie 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 in jedem Gerät verfügbaren Bauraum maximal zu nutzen. Die Bediener verwenden zur Optimierung jedes Drucks und für höchste Produktivität spezielle Software und lassen deshalb nur wenig Abstände zwischen den einzelnen Teilen.

Dank SLS können Bediener so viele Teile in die Baukammer legen wie hineinpassen und sie ohne Stützstrukturen drucken, was Zeit bei der Nachbearbeitung spart.
Dank SLS können Bediener so viele Teile in die Baukammer legen wie hineinpassen und sie ohne Stützstrukturen drucken, was Zeit bei der Nachbearbeitung spart.

Die Teile können auch während des Druckvorgangs hinzugefügt werden. So sind Designänderungen in letzter Minute möglich oder es können aufeinanderfolgende Iterationen eines Prototoyps hinzugefügt werden.

Bewährte, langlebige Materialien

Der Schlüssel zur Funktionalität und Vielseitigkeit des SLS-3D-Drucks ist das Material. Nylon und seine Verbundwerkstoffe sind bewährte, hochwertige Thermoplaste. Nylon-Teile, die im Lasersinter-Verfahren gefertigt wurden, weisen nahezu 100 Prozent Dichte und mechanische Eigenschaften auf, die mit denjenigen vergleichbar sind, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren wie Spritzgießen hergestellt wurden.

Aus Nylon PA 12 gedruckte Bohrmaschine. Nylonteile lassen sich einfach zu einer glatten, professionellen Oberfläche verarbeiten.
Aus Nylon PA 12 gedruckte Bohrmaschine. Nylonteile lassen sich einfach zu einer glatten, professionellen Oberfläche verarbeiten.

SLS Nylon ist eine perfekte Alternative zu gebräuchlichen Spritzguss-Kunststoffen. Es bietet im Vergleich zu anderen additiven Herstellungstechnologien überlegene aktive Scharniere, Schnappverschlüsse und weitere mechanische Verbindungen. Es eignet sich ideal für funktionale Anwendungen, für die Kunststoffteile benötigt werden, die langlebig sind, während Teile, die mit anderen additiven Herstellungsmethoden produziert wurden, abbauen und im Laufe der Zeit spröde werden.

Wettbewerbsfähige Stückkosten

Die Berechnung der Kosten pro Teil erfordert in der Regel die Berücksichtigung von Ausrüstungseigentum, Material und Arbeitskosten:

  • Eigentum für die Ausrüstung: Je mehr Teile eine Maschine über ihre Lebensdauer produzieren kann, desto geringer sind die Stückkosten. Infolgedessen führt eine höhere Produktivität pro Stück zu niedrigeren Eigentumskosten 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 Herstellungsmethoden für Kunststoffteile.

  • Material: Während die meisten 3D-Drucktechnologien proprietäre Materialien verwenden, ist Nylon ein üblicher Thermoplast, der in großen Mengen für industrielle Zwecke hergestellt wird, und damit einer der billigsten Rohstoffe für die additive Herstellung. Gleichermaßen produziert SLS aufgrund nicht notwendiger Stützstrukturen und wiederverwendbaren Pulvers minimale Abfälle.

  • Arbeit: Die Achillesferse vieler 3D-Drucklösungen sind die Arbeitskosten. 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.

Reduzierte Produktentwicklungszyklen

Dank selektiven Lasersinterns können Ingenieure Prototypen-Teile bereits frühzeitig im Entwurfszyklus herstellen und anschließend dieselbe Maschine und dasselbe Material zur Herstellung von Endverbraucherteilen verwenden. Für SLS sind nicht dieselben teuren und zeitaufwendigen Werkzeuge 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 hochwertigen, strapazierfähigen Materialien stellt SLS eine sparsame Methode zur Herstellung komplexer kundenspezifischer Teile 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 Überbrückungsfertigung.

MLernen Sie Fuse 1 kennen

Bisher waren SLS-3D-Drucker für die meisten Unternehmen unerschwinglich teuer. Die Kosten für eine einzige Maschine beliefen sich bislang auf über 200.000 $.


Vorstellung von Fuse 1, dem ersten Desktop-SLS-System von Formlabs.

Mit dem Fuse 1 bringt Formlabs die industrielle Leistung selektiven Lasersinterns (SLS) auf Ihren Desktop, so dass nun mehr Unternehmen von diesen Produktionsmitteln profitieren können.

Den Fuse 1 Benchtop SLS 3D-Drucker ansehen

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