Leitfaden zur Nachbearbeitung von SLS-Teilen: Sandstrahlen, Glätten, Beschichten, Färben und mehr

Das 3D-Druckverfahren selektives Lasersintern (SLS) ist eine bewährte Fertigungsmethode für Hochleistungsmaterialien – und deren Leistung und Oberfläche lässt sich mit fortgeschrittenen Nachbearbeitungstechniken sogar noch weiter verbessern.

Unser Leitfaden erläutert sowohl die Grundlagen der Nachbearbeitung von SLS-Druckteilen als auch fortgeschrittene Methoden zum Glätten, Beschichten, Färben und Lackieren fertiger 3D-Drucke.

Wie bei anderen pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren müssen auch SLS-Druckteile nach dem Druck von überschüssigem Pulver befreit werden. Ist der Druck Ihres Teils abgeschlossen und die Konstruktionskammer aus dem 3D-Drucker entnommen, müssen Sie drei wichtige Schritte durchführen: Teileentnahme, Pulverrückgewinnung und Sandstrahlen.

Dieser Abschnitt behandelt den Arbeitsablauf mit den SLS-3D-Druckern der Fuse-Serie und der Pulverrückgewinnungsstation Fuse Sift.

Bevor es mit der Nachbearbeitung losgehen kann, müssen SLS-Drucke auskühlen, was bei einer vollständig gefüllten Konstruktionskammer des Fuse 1 bis zu 14 Stunden dauern kann. Die Drucker der Fuse-Serie verfügen über einen Touchscreen, auf dem die empfohlene Abkühlzeit angezeigt wird.

Der Abkühlungsprozess besteht aus zwei Phasen. Zunächst muss abgewartet werden, dass die Konstruktionskammer auf ≤ 100 °C abkühlt. Ab dieser Temperatur kann sie aus dem Drucker entnommen und in den Fuse Sift überführt werden. Die branchenführend kurze Abkühlzeit macht es möglich, einen neuen Druck schon 1–2 Stunden nach Abschluss des vorherigen zu starten.

Die zweite Phase des Abkühlvorgangs findet im Fuse Sift statt. Nachdem diese abgeschlossen ist, kann die Teileentnahme beginnen. Der Fuse Sift hebt den sogenannten Pulverkuchen langsam aus der Konstruktionskammer, sodass Sie Ihre gesinterten Teile von ungesintertem Pulver trennen können, während jegliches loses Pulver in einen Filter gesaugt wird. Ungesintertes Pulver sollte bei Berührung einfach von den Druckteilen abfallen und die fertigen Teile freilegen.

Da SLS-3D-Druck keine Stützstrukturen erfordert, muss kein überschüssiges gedrucktes Material entfernt werden. Die 3D-Drucker der Fuse-Serie verfügen über eine proprietäre halbgesinterte Hülle namens Surface Armor, die die Oberfläche der Teile während des Drucks schützt, um eine einheitliche Qualität und mechanische Eigenschaften zu gewährleisten. Diese Hülle kann durch leichtes Scheuern der Teiloberfläche mit einer Bürste entfernt werden.

Nach einem Druck mit der Fuse-Serie kann jegliches ungesintertes Restpulver recycelt und erneut verwendet werden. Das reduziert Abfälle und Materialkosten. Der Fuse Sift nutzt Unterdruck zur Rückgewinnung losen Pulvers sowie eine Trommel zur Mischung recycelten und frischen Pulvers für nachfolgende Drucke. Den Prozentteil von neuem Pulver, das hinzugefügt wird, bezeichnet man als Neuzuführungsrate.

Die Neuzuführungsrate kann sich je nach SLS-3D-Drucker und Pulver unterscheiden. Durch den Druck in Inertgasatmosphäre auf dem Fuse 1+ 30W lassen sich niedrigere Neuzuführungsraten erreichen als beim Vorgängermodell Fuse 1.

Nach einer grundlegenden Reinigung wird empfohlen, SLS-Druckteile durch Sandstrahlen (oder genauer das Bestrahlen mit einem abrasiven Strahlmittel) zu bearbeiten, um das Pulver vollständig zu entfernen. Dieser Schritt eignet sich besonders dazu, die halbgesinterte Surface Armor aus Vertiefungen zu lösen, was mit einer Bürste schwierig sein kann.

Das Sandstrahlen, bzw. Bestrahlen mit einem Strahlmittel, wird empfohlen, um Pulver komplett von SLS-Teilen zu entfernen. Das links abgebildete Teil wurde sandgestrahlt, das Teil auf der rechten Seite nicht. Es ist zu sehen, dass die halbgesinterte Surface Armor selbst nach der ersten Pulverentfernung in Vertiefungen verbleibt.

Es gibt verschiedene Arten von Strahlgeräten. Für SLS-Druckteile empfiehlt Formlabs Anlagen mit Saugsystem. Siphonsysteme nutzen das Venturi-Prinzip, um einen Sog am Ende eines Rohrs zu erzeugen, das sich mit der Druckluftleitung kreuzt. Diese Systeme arbeiten meist mit einem Strahldruck, der stark genug ist, um überschüssiges Pulver ohne negative Auswirkungen auf das Druckteil zu entfernen. Bei Systemen mit höherem Druck besteht das Risiko von Lochfraß oder sonstigen Beschädigungen der Druckteiloberfläche. 

Sandstrahlanlagen benötigen einen erheblichen Luftstrom. Die meisten Strahlkabinen erfordern einen Kompressor, der einen Strom von 27 m³/h bei 5,5 bar erreicht, damit die abrasiven Partikel ausreichend beschleunigt werden, um das Druckteil zu reinigen. Die Druckluftversorgung durch einen Industriekompressor macht den Strahlprozess wesentlich reibungsloser – sie ermöglicht kontinuierliches Strahlen ohne Druckverlust.

Die wesentlichen Optionen mit Saugsystem auf dem Markt sind die Folgenden:

1. Desktop-Strahlgeräte: Die Preisspanne für Strahlgeräte für den Desktop liegt zwischen 150 € und 1000 € und dank ihrer Kompaktheit eignen sie sich auch für kleine Arbeitsbereiche. Beachten Sie, dass Geräte der unteren Preisklasse von geringer Qualität sein können, wodurch sich womöglich Probleme wie Geräteausfälle oder Austritt von Strahlmittel aus der Kabine ergeben.
2. Freistehende Strahlgeräte: Freistehende Strahlgeräte haben einen leicht gehobenen Preis und einen höheren Platzbedarf, sind mit einem Einstiegspreis ab ca. 1000 € aber dennoch relativ erschwinglich. Viele von ihnen verfügen über Strahlmittelabscheider (Staubsauger, die an der Seite der Strahlkabine installiert sind, um die Raumluft von Strahlmittel und Pulver freizuhalten), die für einen sauberen Arbeitsplatz sorgen.  
3. Trommelstrahler: Trommelstrahler enthalten eine rotierende Trommel, in welcher ein Luftstrom und das Strahlmittel auf die Werkstücke im Innenraum gerichtet sind. Hierbei handelt es sich um ein automatisiertes Strahlverfahren, in dem die Teile in die Maschine eingelegt und dort belassen werden, bis der Strahlzyklus abgeschlossen ist, was normalerweise etwa 20 Minuten dauert. Trommelstrahler sind besonders gut für die Behandlung vieler kleiner und robuster Teile geeignet. Sie eignen sich jedoch nicht für empfindliche Teile oder Teile mit feinen Details und rentieren sich vermutlich nicht für geringere Mengen von Teilen, da ihre Preisspanne bei 20 000 € beginnt.  

Einige Hersteller wie z. B. AMT und DyeMansion bieten auch Strahlgeräte an, die speziell auf 3D-Druckteile ausgelegt sind. Mit einem Preis ab ca. 35 000 € sind diese zwar kostspielig, setzen jedoch den Maßstab in Sachen Benutzerfreundlichkeit und Effizienz bei ausgiebigem Einsatz.

Jedes dieser Verfahren hat seine Vor- und Nachteile und kann verschiedene Materialeigenschaften unterschiedlich beeinflussen. Bei der Entscheidung, ob Sie diese Arbeitsabläufe einführen wollen und ob Geräte und Fachwissen betriebsintern benötigt werden oder ausgelagert werden, sollten Sie die damit verbundenen Kosten und die erforderliche Fachkenntnis in Betracht ziehen.

Die untenstehende Übersicht illustriert die Eintrittsbarrieren und die potenziellen Ergebnisse der verschiedenen fortgeschrittenen Techniken zur Nachbearbeitung von SLS-3D-Drucken.

Diese Schritte können auch nacheinander durchgeführt werden, um mehrere verschiedene Eigenschaften zu erzielen. In diesem Beitrag werden wir die einzelnen Optionen jedoch separat behandeln. Falls Sie daran interessiert sind, Nachbearbeitungstechniken zu kombinieren, um ein bestimmtes Ergebnis zu erreichen, kontaktieren Sie unser Expertenteam für eine Beratung zu Ihrem Anwendungsfall.

Nach der Reinigung und dem Sandstrahlen haben SLS-Druckteile eine körnige, sandige Oberflächenbeschaffenheit. Im Folgenden betrachten wir zwei Techniken zum Glätten der Oberfläche: das Vibrationsgleitschleifen, das überschüssiges Material schonend entfernt, und das chemische Dampfglätten, das Teilen einen Glanz verleiht.

Suchen Sie einen Drucker, der sofort glatte Teile liefert? Dann sollten Sie die SLA-3D-Drucker Form 3+ oder Form 3L in Betracht ziehen, die mit flüssigem Kunstharz arbeiten und Teile mit einer grundsätzlich glatten Oberflächenbeschaffenheit produzieren.

Beim Vibrationsgleitschleifen, auch Vibrationspolitur oder Gleitspanen genannt, handelt es sich um ein Fertigstellungsverfahren zum Glätten der Oberfläche von SLS-3D-gedruckten Teilen in einer vibrierenden Trommel mit Schleifkörpern. Der Prozess ergibt eine matte bis halbglänzende Oberfläche, die sich samtig glatt anfühlt. In unseren Versuchen haben wir eine durchschnittliche Reduktion der Oberflächenrauheit von 80 % beobachtet.

Gleitschleifmaschinen verfügen über eine Schüssel, Tonne oder Trommel, in welcher die Werkstücke und die Schleifkörper (sogenannte Chips) in Bewegung gebracht werden. Bei den Schleifkörpern kann es sich um Keramikchips, Kunststoffstücke oder organische Materialien wie Walnussschalen handeln, welche die Teiloberfläche schonend abschleifen. Die Zykluszeiten reichen meist von zwei bis acht Stunden, wobei die Maschinen nicht ohne technische Aufsicht betrieben werden können.

Die Preise von Vibrationsgleitschleifern für den Benchtop beginnen bei 100 €, sodass sie eine erschwingliche Option für jedwedes Fertigungsszenario darstellen. Größere, freistehende Modelle eignen sich besser für die Produktion mit hohem Durchsatz und sind ab 3000 € erhältlich.

Das unten abgebildete Teil wurde im Mr. Deburr 300DB sechs Stunden lang mit Keramikschleifkörpern bearbeitet.

Beim chemischen Dampfglätten werden SLS-Druckteile in verdampften chemischen Lösungsmitteln gewaschen, welche das 3D-Druckmaterial kontrolliert chemisch schmelzen. Dadurch werden kleinste Hohlräume gefüllt und eine glatte, glänzende Teiloberfläche erzeugt. Der Glättungseffekt ist dabei nicht nur auf sichtbare Geometrien beschränkt, sodass dieses Verfahren sich auch für komplexe Teile mit internen Kanälen oder Vertiefungen gut eignet. 

Hersteller von Geräten zur Dampfglättung sowie entsprechende Dienstleister geben an, dass die so bearbeiteten Teile weniger Bakterienwachstum aufweisen und sich womöglich sogar für den Lebensmittelkontakt eignen. Formlabs hat diese Behauptungen nicht verifiziert. Wir empfehlen, sich für genauere Informationen zur Sicherheit an den Hersteller der Nachbearbeitungsgeräte zu wenden.  

Die Ausrüstung für das chemische Dampfglätten ist mit Preisen ab 60 000 € kostspielig, weshalb sich für Unternehmen, die nur kleine Serien von Teilen produzieren, die Auslagerung des Dampfglättens an Dienstleister empfiehlt.

Das unten abgebildete Teil wurde von DyeMansion mit einer proprietären Dampfmischung dampfgeglättet. Auch AMT bietet Dampfglättung als Dienstleistung sowie die notwendige Ausrüstung an.

Indem die äußeren Oberflächen von 3D-Druckteilen mit einem Leistungsmaterial beschichtet werden, erhalten sie zusätzliche Eigenschaften, die das 3D-Druckmaterial selbst nicht innehat. Diese können erhöhte Festigkeit, Leitfähigkeit oder Chemikalienbeständigkeit umfassen. Es gibt zahlreiche Optionen für die Beschichtung von SLS-3D-Druckteilen, und Beschichtungen können zudem aufeinander aufgetragen werden, um unterschiedliche Eigenschaften zu erzielen. In diesem Abschnitt geben wir eine kurze Erklärung zu jeder Beschichtung und ihren jeweiligen Vorteilen.

Metallbeschichtungen von 3D-Druckteilen können durch Galvanisierung erzeugt werden, auch als Galvanotechnik bekannt. Bei diesem Prozess wird das Druckteil zunächst mit einem leitfähigen Spray überzogen und anschließend in ein Chemikalienbad getaucht, wo Metall durch elektrischen Strom von einem Quellenmaterial (der Anode) auf die Oberfläche des 3D-Druckteils (der Katode) übertragen wird.

Auf diese Weise werden Teile mit einer Vielzahl von Metallen überzogen, unter anderem Chrom, Nickel, Zink und Titan. Hersteller tragen gegebenenfalls auch mehrere Metallbeschichtungen übereinander auf, um das richtige Gleichgewicht zwischen mechanischen, elektrischen und kosmetischen Eigenschaften zu erhalten.

Es ist zwar möglich, SLS-Druckteile zu Hause mit einer selbst gebauten Anlage zu galvanisieren, doch bei fehlender Fachkenntnis besteht hierbei ein Risiko des Kontakts mit schädlichen Chemikalien und es mag zudem schwierig sein, ein hochwertiges Ergebnis zu erzielen. Für Strukturteile empfehlen wir, diese von einem spezialisierten Vertragshersteller bearbeiten zu lassen. Laden Sie unser Whitepaper herunter, um eine Liste von Galvanotechnikdienstleistern zu erhalten, nach Region und Auftragsgröße gegliedert.

Das unten abgebildete Teil wurde von RePliForm, Inc mit Nickel überzogen.

Keramikbeschichtungen wie die von Cerakote werden als dünner Film aufgetragen, indem Polymere mit Keramikzusatz direkt auf das Teil aufgesprüht werden. Dabei ist keine Grundierung notwendig, wobei die Teile jedoch mit einem speziellen Strahlmittel gründlich sandgestrahlt und mit Wachs und Fettlöser gereinigt sein müssen, damit keine Verunreinigungen auf der Oberfläche bleiben. Cerakote bietet Formulierungen zum Aushärten an der Luft und zum Aushärten im Ofen an.

Keramikbeschichtungen zählen hinsichtlich der hohen Leistung zu den stärksten Optionen unter den fortgeschrittenen Nachbearbeitungstechniken. Dermaßen bearbeitete Teile sind chemikalienbeständig und mechanisch fest sowie in verschiedenen Farben verfügbar. Darüber hinaus bietet Cerakote spezialisierte Produkte für Korrosionsresistenz, reduzierte Reibung und andere Eigenschaften.

Auf der Website von Cerakote werden zertifizierte Beschichtungsdienstleister gelistet und das Unternehmen bietet auch Zertifizierungen für Werkstätten an, die in die Keramikbeschichtung einsteigen möchten.

Das unten abgebildete Teil wurde von einem geschulten Beschichter mit Cerakote H-140 Bright White beschichtet.

Bei der Pulverbeschichtung werden Polymere in Pulverform trocken auf ein Substratmaterial aufgetragen. Pulverbeschichtungen werden elektrostatisch aufgetragen und mittels Hitze, Licht oder beidem ausgehärtet. Viele pulverbasierten Beschichtungen benötigen sehr hohe Temperaturen, wodurch Thermoplaste wie die üblichen SLS-Druckmaterialien als Substrat ausgeschlossen werden. Einige Pulverbeschichtungsmaterialien können jedoch auch bei niedrigeren Temperaturen aufgetragen werden und sind daher für die Nutzung auf SLS-3D-Druckteilen geeignet.

Pulverbeschichtungen zur UV-Aushärtung wurden speziell für hitzeempfindliche Substrate entwickelt. Diese Beschichtungen werden elektrostatisch aufgetragen und bei niedriger Hitze verteilt. Sobald das Pulver geschmolzen ist, wird die Beschichtung mit hochintensivem UV-Licht bestrahlt und damit ausgehärtet. UV-Pulver benötigen im Vergleich zu Beschichtungen aus Duroplast-Pulvern deutlich weniger Hitze und Zeit, bieten aber dennoch eine vergleichbare Leistung, ohne zu einer Beschädigung oder zum Verziehen des Druckteils zu führen.

Ähnlich wie andere Arten der Beschichtung kann eine Pulverbeschichtung die Chemikalienbeständigkeit, Oberflächenhärte und mechanische Festigkeit steigern. Sie eignet sich insbesondere für dicke Beschichtungen und Geometrien, die beim Auftragen einer flüssigen Beschichtung schwer zugänglich wären oder sich schwer gleichmäßig überziehen ließen, da das Beschichtungsmaterial beim Lackieren oder Eintauchen verlaufen oder tropfen könnte.

Das unten abgebildete Teil wurde von Keyland Polymer mit dem UV-ausgehärteten Pulver UVMax beschichtet.

Es ist eine Reihe von Beschichtungen mit flüssigen Polymeren erhältlich, die eine unterschiedlich gute Glättung und Chemikalienbeständigkeit erzielen. Diese sind in transparenter, getönter oder deckender Form verfügbar und können durch Eintauchen, Streichen oder Sprühen aufgetragen werden. Sie basieren auf unterschiedlichen chemischen Verbindungen wie etwa Epoxidharz, Lack und Polyurethan.

Bei den verschiedenen Materialien und Anwendungsmethoden treten starke Unterschiede hinsichtlich Leistung und Schwierigkeitsgrad des Auftragens auf. Während einige im Baumarkt erhältlich sind und mit minimalem Aufwand aufgetragen werden können, ist für die Nutzung anderer Beschichtungen eine industrielle Anlage notwendig.

Das unten abgebildete Teil wurde mit einem preiswerten, transparenten und glänzenden Sprühlack überzogen.

Ob es um Prototypen oder endgültige Teile geht: Manchmal besteht Bedarf daran, die Farbe eines Teils ganz oder teilweise zu ändern. Durch das Verfahren des Färbens entsteht eine gleichmäßige, halbtransparente Farbe, auch in Scharnieren und Hohlräumen, jedoch lassen sich durch diese Methode keine helleren Farben erzielen. Im Gegensatz zum Färben bietet das Lackieren mehr Kontrolle und Individualisierbarkeit, ist aber ein aufwendigerer, manueller Prozess. Zudem kann die Lackierung durch Abrasion oder starke Beanspruchung absplittern.

Da SLS-3D-Druckteile porös sind, können sie mit handelsüblichen Färbemitteln gefärbt werden. Viele SLS-Druckmaterialien basieren auf Nylon oder Polyamid, die auch in Textilien verwendet werden. Daher sollten Textilfarben für die Nutzung auf synthetischen Stoffen sich gut eignen.  

3D-Druckteile können mithilfe von im Haushalt vorhandenen Schüsseln, in industriellen Wannen oder mit Hilfsmitteln in jeder dazwischenliegenden Größenordnung eingefärbt werden. Unabhängig von den verwendeten Hilfsmitteln sollten 3D-Druckteile aus nylonbasiertem Material wie den für die Fuse-Serie verfügbaren Pulvern keine besonderen Zusatzschritte erfordern – es genügt, die vom Farbhersteller empfohlenen Anweisungen zu befolgen.

Aufgrund der niedrigen Eintrittsbarriere sowohl hinsichtlich Kosten als auch der benötigten Fachkenntnis ist das Färben eine hervorragende Methode, um mit fortschrittlichen Nachbearbeitungsmethoden für SLS-Teile zu experimentieren. Dank seiner guten Skalierbarkeit eignet es sich außerdem für Produktionsszenarien.

Die unten abgebildeten Teile wurden mit Textilfarbe von RIT eingefärbt.

Eine Lackierung kann eine bessere Lösung sein als das Färben, wenn Teile in leuchtenden Farben oder in einem bestimmten, exakten Farbton benötigt werden. Hier bietet das Sprühlackieren die gleichmäßigste Deckung und eine leichte Skalierbarkeit. Das Lackieren von Hand lässt jedoch einen höheren Detailgrad zu. Auf pulverbasierten Druckteilen eignen sich Acryl- und Lackfarben gleichermaßen gut. Möglicherweise eignen sich auch andere Arten von Farben, doch diese wurden von Formlabs nicht umfassend getestet.

Für optimale Haftung sollte eine für Kunststoffe geeignete Grundierung verwendet werden. Durch eine Sprühgrundierung lässt sich eine gleichmäßigere Deckung erzielen. Um das Trocknen zu beschleunigen, kann eine Heißluftpistole oder ein Fön eingesetzt werden.

Eine detaillierte Anleitung zum Sprühlackieren von 3D-Drucken finden Sie in unserem Leitfaden zum Grundieren und Lackieren.

 Das unten abgebildete Teil wurde mit einem preiswerten Sprühlack lackiert.

Sind Sie bereit, den SLS-3D-Druck in Ihren Betrieb zu holen und Ihre Druckteile mit den hier beschriebenen Techniken zum Glätten, Beschichten, Färben oder Lackieren aufzuwerten? Formlabs ist ein bewährter Anbieter erschwinglicher 3D-Drucklösungen für Unternehmen jeder Größenordnung, und das Flaggschiff unserer SLS-3D-Drucker ist der Fuse 1+ 30W.

Möchten Sie unsere SLS-Materialien hautnah erleben? Fordern Sie einen kostenlosen Probedruck an und wir senden ihn direkt zu Ihnen.