Selektives Lasersintern (SLS): Spitzentechnologien, fortschrittliche Materialien und wachsende Anwendungen

[Bildquelle: 3D Hubs]

Selektives Lasersintern (SLS) ist eine der beliebtesten Polymer-3D-Drucktechnologien für industrielle Anwendungen. Seit seinem Aufkommen vor über 30 Jahren reift SLS allmählich zu einer Technologie, die funktionales Prototyping und, jüngst, auch Produktion ermöglicht.

Treiber dieser Evolution sind laufende Innovationen in Hardware und Materialien sowie die Bereitschaft von Technologieadoptern, neue SLS-Anwendungen zu entwickeln.

In diesem Artikel betrachten wir die jüngsten SLS-Entwicklungen, um mehr über aktuelle Fähigkeiten und zukünftige Chancen der Technologie zu erfahren.

Weitere Artikel zur Evolution von 3D-Drucktechnologien:
Metall-3D-Druck: Wo stehen wir heute?
Stereolithografie & Digital Light Processing: Wo stehen wir heute?
Wie Desktop industriellen 3D-Druck transformiert
FDM 3D-Druck: Wo stehen wir heute?
Alles über Metall-Binder-Jetting (2019)

Kurze Geschichte des SLS

Lasersintern nutzt einen Hochleistungslaser, um pulverförmige Materialien Schicht für Schicht zu verschmelzen. Ein Hauptvorteil von SLS: Designs benötigen keine Stützstrukturen. Während des Aufbaus werden alle Hohlräume automatisch mit ungenutztem Pulver gefüllt – SLS-Drucke sind selbsttragend.

Während das SLS-Konzept bereits in den frühen 1980ern konzipiert wurde, kam 1992 der erste industrielle SLS-Drucker auf den Markt – DTM's Sinterstation 2000 (später mit 3D Systems fusioniert). Es folgte 1994 EOS' EOSINT P350.

Seither traten diverse (und wachsende) Maschinen in den Markt ein, was das Zeitalter schnellerer und größerskaliger Drucke im industriellen Kontext einläutete.

Bemerkenswerte Entwicklungen in SLS-Hardware

Evolution der EOS-SLS-Technologie

Der deutsche Polymer- und Metall-3D-Druckspezialist EOS ist vielleicht der größte SLS-Spezialist am Markt. 2016 behauptete das Unternehmen ca. 3.000 weltweit installierte Einheiten, 51 % davon SLS-Systeme.

In seiner 30-jährigen Geschichte entwickelte EOS SLS zu einer ausgereiften Technologie für diverse Anwendungen – Prototyping und Produktion.

Ein Meilenstein: Launch der FORMIGA P 100 2006. Das System setzte Standards für industrielle 3D-Druckqualität im Kunststoffsektor, Jahre nach Einführung.

2012 folgte der Nachfolger FORMIGA P 110, der im Printer Guide 2018 von 3D Hubs als bester Lasersinter-Drucker ausgezeichnet wurde.

Mit gesamtem Bauraum von 200 × 250 × 330 mm ermöglichte der P 110 kosteneffizientes Low-Volume-Drucken und wurde für mittelgroße Prototypenbuilds und Teile mit hochkomplexen Geometrien genutzt.

2018 wurde der P 110 zur FORMIGA 110 Velocis erweitert: verbessertes, beschleunigtes Heizsystem und Recoating-Prozess, Software-gesteuertes Vorheizen der Polymermaterialien mit 30-Watt-Laserstrahl bei höherer Rate.

Mit zusätzlichen technischen Verbesserungen und Verfeinerungen erreicht Velocis bis zu 20 % Produktivitätssteigerung und bessere Temperaturverteilung im Bauraum – resultierend in homogenerer Teilequalität.

High-Temperature SLS

Während Nylon das gängigste SLS-Material bleibt, wollte EOS auch fortgeschrittenere Materialien wie PEEK ermöglichen, die typischerweise hohe Temperaturen benötigen.

Daraus resultierte 2008 die erste High-Temperature-SLS-Plattform, EOSINT P 800. Sie verarbeitet Polymere bis ca. 385 °C und erweiterte SLS auf neue Thermoplaste – namentlich PEEK.

10 Jahre später fügte EOS die EOS P 810 zur High-Temperature-Range hinzu. Das neue System wird als weltweit erstes High-Temperature-Lasersinter-System beworben, optimiert für kohlefaserverstärktes PEKK-Material.

Fortgesetzte Innovation: FDR und LaserProFusion Technologien

EOS' Verbesserungen und Innovationen im SLS-Bereich sind laufend. Beispiel: Auf der diesjährigen Formnext präsentierte EOS Fine Detail Resolution (FDR) polymerbasierte 3D-Drucktechnologie. Der neue Prozess nutzt einen CO-Laser für filigrane, doch robuste Polymerkomponenten mit feiner Detailauflösung und minimaler Wandstärke von 0,22 mm.

EOS behauptet, erster Hersteller mit CO-Laserlösung für pulverbasisierten industriellen 3D-Druck zu sein. Die Mehrheit aktueller SLS-Maschinen nutzt ein oder wenige CO₂-Laser.

Der CO-Lasertyp erzeugt einen ultrafeinen Laserstrahl mit Fokus-Durchmesser reportedly halb so groß wie aktuelle SLS-Technologien. Eine wichtige Konsequenz: neue Belichtungsparameter für extrem feine Oberflächen.

Die Technologie könnte für Filtereinheiten, Fluidkanäle, Stecker, elektronische Komponenten und Konsumgüter wie Brillen genutzt werden.

Während FDR auf filigrane Komponenten fokussiert, zielt eine weitere – noch nicht kommerzialisierte – Lösung von EOS, LaserProFusion, auf maximale Produktivität.

EOS wird LaserProFusion mit bis zu 1 Million Diodenlasern ausstatten, fähig zu über 5 Kilowatt akkumulierter Laserleistung. Primär für Serienfertigungsanforderungen designed, kann es laut EOS in vielen Anwendungen als Alternative zum Spritzgießen dienen.

Seit Lancierung des ersten SLS-3D-Druckers vor 26 Jahren war EOS eine der treibenden Kräfte hinter dem bemerkenswerten SLS-Fortschritt. Die Vision von SLS als Serienfertigungslösung wird kontinuierlich verfolgt und wird zunehmend Realität.

Farsoons Flight Technology

Ein weiteres Unternehmen, das SLS revolutionieren will: Farsoon. Um SLS noch schneller und präziser zu machen, nutzt Farsoon die Kraft eines Faserlasers in seiner neuen Flight Technology.

Während aktuelle SLS-Maschinen CO₂-Laser nutzen, ersetzte der chinesische 3D-Druckerhersteller den Standard-CO₂-Laser durch einen Faserlaser.

Ein Faserlasersystem kann mehr Leistung auf das Pulverbett liefern und Energieverteilung zum Material verbessern. Ein Faserlaserstrahl ermöglicht kleineren Laser-Spot-Size – höhere Leistungsdichte, Pulver sintern in kürzerer Zeit.

Zusätzlich zum Faserlaser entwickelte Farsoon ein neues Scansystem mit Scangeschwindigkeit über 20 m/s – ca. 4× vergleichbarer Technologien. Die zusätzliche Laserleistung ermöglicht Feature-Details bis 0,3 mm.

Designed zur Treibung der SLS-Adoption für Hochvolumenproduktion – Flight Technology ist ein klarer Schritt in diese Richtung.

SLS-3D-Druck mit zwei Pulvern

Während EOS und andere etablierte SLS-Playermostly auf lineare Innovation fokussieren, ging belgisches Start-up Aerosint einen radikalen Ansatz: Entwicklung eines SLS-Systems, das mit zwei unterschiedlichen Pulvern drucken kann. Damit lässt sich eines der Pulver als kostengünstiges Stützmaterial nutzen.

Normalerweise ist das ungesinterte Stützpulver in einer SLS-Maschine dasselbe Material wie für das Bauteil – und oft teuer. Kein Problem, wenn Pulver zu 100 % wiederverwendbar wäre – derzeit unmöglich.

Ein Grund: Im SLS-Prozess werden Polymere langzeitig hoher Hitze ausgesetzt, durchlaufen chemische Veränderungen, die Sinthereigenschaften unvorhersehbarer machen. Aktuell einzige Lösung: „Used-but-unfused“-Pulver mit ca. 50 % Jungpulver mischen für Wiederverwendung.

Ein Dienstleister schätzt: Von 500 kg monatlich gekauftem Pulver „werden 25 % zum Teil, 25 % Abfall, 50 % für nächsten Build aufgefrischt“.

Eine Maschine, die billiges Stützmaterial und zweites Material für Teile nutzt, könnte SLS-Anwendern erhebliche Kosten einsparen.

Aerosints Technologie, Selective Powder Deposition, erreicht dies durch selektives Ablagern von Pulvermaterial von einer rotierenden Trommel über den Baubereich. Eine Trommel legt ein Material ab – mindestens zwei Trommeln für Multi-Pulver-Deposition.

Aerosints Technik ist inhärent zeilenweise und erreicht Druckraten bis 200 mm/s – vergleichbar mit heutigen SLS-Recoater-Geschwindigkeiten.

Die Reifung dieser Technologie wird einen Meer an Chancen für Hersteller erschließen: reduzierter Pulverabfall, Materialkosteneinsparungen, reduzierte Postprocessing-Zeit.

SLS-3D-Drucker im kompakten Format

2014 sah der SLS-Markt neue Unternehmen, die vom Auslaufen des ursprünglichen SLS-Patents profitierten und die Technologie erschwinglicher machen wollten.

Dieser Shift brachte Benchtop-SLS-3D-Drucker hervor – nicht klein genug für „Desktop“, aber kompakt genug für Werkbänke. Die Emergenz öffnete Technologie für Prosumer und kleine Unternehmen ohne Budget oder Platz für Industriesysteme.

Start-ups wie Sinterit, Sharebot, Sintratec und jüngst Formlabs stiegen in den Race für kompakte SLS ein.

Sharebot brachte mit SnowWhite als erstes Benchtop-SLS-System 2016 auf den Markt. Anders als Sintratec- und Sinterit-Systeme mit Diodenlasern verfügt SnowWhite über leistungsstärkeren CO2-Laser, typisch für High-End-Profi-Maschinen.

Laser und petite 100 × 100 × 100 mm Bauraum – ermöglicht Druck mit nur 300 g Pulver – machen SnowWhite besonders für Materialentwicklung geeignet.

Ein weiterer großer Player: polnisches Unternehmen Sinterit mit Sinterit Lisa – Front Runner in diesem wachsenden Segment. Ab 6.990 €, Bauraum 150 × 200 × 150 mm, Mindestschichthöhe 0,075 Mikron – ideal für kleine Unternehmen, die SLS ohne großes Kapital für Bulky Equipment testen wollen.

Letztes Jahr lancierte Sinterit auch Sinterit Lisa Pro, den neuesten Benchtop-SLS-3D-Drucker.

Eine potenziell signifikante Innovation: Fuse 1, ein SLS-3D-Drucker, angekündigt 2017 von Desktop-Stereolithografie-Führer Formlabs. Bauraum 165 × 165 × 320 mm, Faserlaser, Preis ca. 10.000 $, kommerzieller Release für Mitte 2020 geplant.

Die Flut günstiger Desktop-FDM- und SLA/DLP-Drucker Anfang der 2010er disruptete die Industrie und trug signifikant zum AM-Wachstum bei. Erschwingliches SLS beginnt erst diese Reise und könnte ähnlichen Pfad folgen. Letztlich wird dies die Reichweite von SLS auf breitere Industrien und Nutzer erweitern.

Evolution der SLS-Materialien

Die ersten SLS-3D-Drucker nutzten vorwiegend Nylon – beliebtes Engineering-Thermoplast, gelobt für Leichtgewicht, Festigkeit, Haltbarkeit. Nylon (Polyamid, PA) ist stabil gegen Impact, Chemikalien, Hitze, UV, Wasser, Schmutz – ideal für Rapid Prototyping und Produktion.

Heute bleibt Nylon das beliebteste SLS-Material. Doch Technologie- und Materialfortschritt ermöglichten Nylon-basierte Composites – Materialien gemischt mit Carbonfaser, Glasfaser, Aluminium zur weiteren Verbesserung mechanischer und thermischer Polyamid-Eigenschaften.

Zusätzlich zu Nylon verarbeiten heutige SLS-Drucker PEEK, PEKK, flexible TPUs, flammhemmende und antistatische Polymere. Die Möglichkeit, Hochleistungsmaterialien zu verarbeiten, ist eng mit Technologieinnovation verknüpft. Wie im EOS-Beispiel: Erst High-Temperature-Drucker bauen, dann Materialien wie PEEK drucken.

Neue SLS-Materialien

Das Entwicklungstempo neuer SLS-Materialien ist ermutigend.

Italienisches 3D-Druckunternehmen CRP Technology ist vielleicht einer der Schlüssel-Unabhängigen SLS-Materialentwickler – bekannt für Windform-Marke. Das Unternehmen bietet Nylon-basierte Composites und gummiartige Kunststoffpulver.

Neueste Windform-Zugänge: Windform FR1 und FR2 – flammhemmende Composites, geeignet für Flugzeuganwendungen (Innenraumteile, Cockpitkomponenten, Luftkanäle, Auslassventile); Transportteile (Fahrzeuginnenraum, Gehäuse, Einhausungen) und Konsumgüter/Elektronik (Beleuchtung, Geräte).

Chemiekonzern DSM trat kürzlich in SLS-Materialentwicklung ein: Polybutylenterephthalat (PBT) Pulver, letztes Jahr released. Interessant: DSM spezifiziert, dass es das erste kommerziell verfügbare PBT-Pulver für SLS-3D-Druck ist. PBT – thermoplastisches Engineering-Polymer mit Elektronikanwendungen dank Isoliereigenschaften.

Zudem bietet Forward AM, Tochter des Chemieriesen BASF, SLS-Materialien unter Ultrasint-Marke. Flammhemmendes Ultrasint Polyamid PA6 Black FR – neueste Ergänzung – bietet hohe Steifigkeit und gute thermische Stabilität. Laut Forward AM bereits für neue Fahrzeugkomponenten genutzt, die Brandschutzanforderungen erfüllen.

Sowohl BASF als auch DSM erwarben kürzlich SLS-3D-Drucker von französischem Hersteller Prodways. Mit erweiterter SLS-Kapazität werden beide Chemiekonzerne Entwicklung fortschrittlicher SLS-Materialien beschleunigen.

Postprocessing im SLS

Während SLS Stützstrukturen-Design und -Entfernung eliminiert, bleiben Postprocessing-Herausforderungen. Die größte: Entfernen von Überschusspulver auf Teiloberfläche und manchmal im Teilinneren.

Aktuell adressiert durch manuelles Waschen/Reinigen und traditionelle Techniken wie Perlenstrahlen und Trommeln.

Diese Methoden erfordern viel manuellen Eingriff – Risiko, fragile Geometrien zu beschädigen und inkonsistente Endteile zu produzieren.

Bei Oberflächenveredelung werden SLS-Teile oft durch Schleifen und halbautomatisierte Geräte geglättet, die typischerweise nicht für 3D-Druck designed sind. Diese Ansätze sind unpraktisch, um SLS-Druckerfähigkeiten voll auszuschöpfen und auf größere Produktionsvolumen zu skalieren.

Erfreulich: Mehrere Branchenakteure entwickeln automatisierte Lösungen für SLS-Postprocessing.

PostProcess Technologies bietet z. B. Lösungen mit Thermal Atomized Fusillade (TAF) Technologie: zwei senkrechte Single-Axis-Jet-Streams aus Druckluft, Detergenz und Suspensionspartikeln liefern gezielte Blast-Sequenzen bei 360°-Teilrotation für maximale Oberflächenexposition.

UK-Unternehmen AMT wird noch dieses Jahr automatisierte Entpulverungslösung lancieren.

Letztlich wird der Wechsel von manuell zu automatisiertem Entpulvern SLS-3D-Druck-Workflow signifikant optimieren – nicht nur durch Reduktion manueller Arbeitszeit, sondern auch durch Ermöglichung effizienterer Skalierung der SLS-Produktion.

SLS-Anwendungen: Wachsende Nutzung in Produktion

Während SLS weiterhin im Prototyping genutzt wird, wird es zunehmend auch für funktionales Teil-Testing und Produktionsanwendungen populär.

Luftfahrt

Die Luftfahrtindustrie nutzt SLS z. B. für Flugzeug-Innenraumteile. Beispiel: Emirates, größte Airline der VAE. Die Airline nutzt 3D-Druck für Kabinenkomponenten – Videoüberwachungsverkleidungen und Luftauslassgitter. Letztere bereits zertifiziert und für Bordversuche auf Emirates-Flugzeugen installiert.

Emirates partnerschaftet mit 3D Systems für Videoüberwachungsverkleidungen via SLS und 3D Systems' DuraForm ProX FR1200 Nylon – erfüllt Flammwidrigkeitsschwellen der Luftfahrt für Innenraumteile.

Konsumgüter

In Konsumgütern pioniert Chanel SLS-3D-Druck für Mascarabürsten. Die Marke druckt nun Millionen Mascarabürsten in Kollaboration mit französischem 3D-Druck-Dienstleister Erpro Group.

Via SLS wurde Bürstendesign optimiert – z. B. verbessert die raue, granulare Textur die Haftung der Mascara an Wimpern.

Zusätzlich zu Beauty-Produkten wird SLS zunehmend in Medizintechnik und Footwear für individualisierte Einlagen und Sandalen genutzt.

Motorsport

Im Motorsport hilft Technologie Rennteams, Fahrzeugdesigns zu innovieren und schneller zu testen als traditionelle Technologien erlauben.

Alfa Romeos Sauber Formel-1-Team: gutes Beispiel für SLS-Nutzung im Motorsport.

SLS hauptsächlich für aerodynamische Entwicklung des Alfa Romeo F1-Autos im Windkanal sowie diverse Laminierformen, Kerne und komplexe Serienteile.

Bei Produktion nutzen sie pulverbasiertes Material, entwickelt von Sauber Engineering, für besonders leichte, rigide Komponenten – von F1-Bremsbelüftung und Karosserieteilen für Pre-Production-Fahrzeuge/Prototypen bis zu vielfältigen construction-ready Elementen.

Der Himmel ist die Grenze für SLS-Anwendungen. Angesichts jüngster Entwicklungen in SLS-Materialien und -Technologie gilt dies besonders.

SLS: Eine der besten Wahl für Polymer-3D-Druck

Der SLS-3D-Druckmarkt befindet sich in kontinuierlicher Evolution. Technologie wird durch kompakte, erschwingliche Benchtop-Systeme demokratisiert. Gleichzeitig fokussieren Industriesystem-Hersteller stärker auf Lösungen, die SLS als Produktionswerkzeug etablieren.

Resultat: Projektvolumen mit SLS-Technologie steigt stetig.

Beleg: Über 75 % der 3D-Druckprojekte nutzten 2019 SLS-Methoden, laut Sculpteo-Report. Takeaway: SLS gilt als eine der besten Wahl für Polymer-3D-Druck – wir glauben, dies bleibt kurz- und langfristig wahr.