Selektives Lasersintern (SLS) im 3D-Druck: Funktionsweise, Vorteile und Anwendungen

Das Selektive Lasersintern (SLS) ist ein additives Fertigungsverfahren aus der Familie des Pulverbett-Schmelzens (Powder Bed Fusion). Beim SLS 3D-Druck sintern ein Laser die Partikel eines Polymerpulvers selektiv, verschweißen sie miteinander und bauen ein Bauteil Schicht für Schicht auf. Als Materialien kommen thermoplastische Polymere in granulärer Form zum Einsatz. SLS 3D-Druckservices werden sowohl für das Rapid Prototyping funktionaler Polymerkomponenten als auch für kleine Serienfertigungen genutzt. Aufgrund seiner Vielseitigkeit stellt SLS eine hervorragende Alternative zum Spritzgießen bei geringen Stückzahlen dar.

Wie funktioniert SLS 3D-Druck?

Beim SLS 3D-Druck sintert ein Laser kleine Partikel aus Polymerpulver. Der gesamte Querschnitt des Bauteils wird abgetastet, sodass das Teil massiv aufgebaut wird. Der Prozess gliedert sich in folgende Schritte:

1. Der Pulverbehälter und der Bauraum werden auf eine Temperatur knapp unter dem Schmelzpunkt des Polymers vorgeheizt.

2. Eine Reklaetierklinge verteilt eine dünne Pulverschicht auf der Bauplattform.

3. Ein CO₂-Laser scannt die Kontur der nächsten Schicht und sintert die Partikel des Polymerpulvers selektiv – er verschmilzt sie miteinander.

4. Nach Abschluss einer Schicht senkt sich die Bauplattform ab, die Klinge legt eine neue Pulverschicht auf. Der Vorgang wiederholt sich, bis das komplette Bauteil fertig ist.

5. Nach dem Druck sind die Teile vollständig in ungesintertem Pulver eingeschlossen. Der Pulverbehälter muss abkühlen, bevor die Teile entnommen werden können – dies kann beträchtliche Zeit in Anspruch nehmen, manchmal bis zu 12 Stunden.

6. Anschließend werden die Teile mit Druckluft oder einem anderen Strahlmittel gereinigt und sind dann einsatzbereit oder können weiter nachbearbeitet werden.

Sehen Sie den SLS-Prozess in diesem 30-sekündigen Video in Aktion.

Eignet sich SLS 3D-Druck für Rapid Prototyping?

SLS ist eine ausgezeichnete Lösung für das Rapid Prototyping funktionaler Polymere, da es einen sehr hohen Grad an Designfreiheit und hohe Genauigkeit bietet. Im Gegensatz zu FDM- oder SLA-3D-Druckverfahren erzeugt es Bauteile mit guten und konsistenten mechanischen Eigenschaften. Das bedeutet, dass Teile in nahezu Endnutzungsqualität hergestellt werden können, sodass SLS während des gesamten Produktionsprozesses – vom Konzept bis zum Testmodell – eingesetzt werden kann.

Eignet sich SLS 3D-Druck für Kleinserien?

Seine Vielseitigkeit macht SLS 3D-Druck zur idealen Alternative zum Spritzgießen für Kleinserien. SLS ermöglicht die Fertigung von Teilen mit komplexen Formen und Geometrien sowie mit einer Vielzahl von Oberflächen und Lieferzeiten.

Wie funktioniert ein SLS 3D-Drucker?

Bei der Nutzung eines SLS 3D-Druckers sind fast alle Prozessparameter vom Maschinenhersteller voreingestellt. Die standardmäßige Schichthöhe beträgt 100–120 µm.

Ein entscheidender Vorteil des SLS 3D-Drucks ist, dass keine Stützstrukturen benötigt werden. Das ungesinterte Pulver bietet dem Bauteil alle notwendige Unterstützung. Daher kann SLS Freiformgeometrien erzeugen, die mit keinem anderen Verfahren herstellbar sind.

Die optimale Auslastung des gesamten Bauraums ist beim SLS-Druck besonders wichtig, insbesondere bei Kleinserienproduktionen. Ein Behälter gegebener Höhe benötigt etwa die gleiche Druckzeit, unabhängig von der Anzahl der darin enthaltenen Teile. Das liegt daran, dass das Laserscannen sehr schnell erfolgt, sodass eigentlich der Reklaetiervorgang die Gesamtbearbeitungszeit bestimmt. Die Maschine muss dieselbe Anzahl an Schichten durchlaufen, egal wie viele Teile sich im Bauraum befinden. Das Befüllen des Bauraums (Bin Packing) kann die Lieferzeiten kleiner Aufträge beeinflussen, da Operatoren oft warten, bis der Behälter gefüllt ist, bevor sie einen Druckauftrag starten.

Schichthaftung

Die Bindungsfestigkeit zwischen den Schichten beim SLS 3D-Druck ist ausgezeichnet. Das bedeutet, dass SLS-gedruckte Bauteile nahezu isotrope mechanische Eigenschaften aufweisen.

Die mechanischen Eigenschaften von SLS-Proben, gedruckt mit Standard-Polyamidpulver (PA 12 oder Nylon 12) – dem am häufigsten verwendeten Material im SLS – sind in der folgenden Tabelle dargestellt und mit den Eigenschaften von massivem Nylon verglichen.

	X-Y-Richtung	Z-Richtung	Massives PA12
Zugfestigkeit	48 MPa	42 MPa	35–55 MPa
Zugmodul	1650 MPa	1650 MPa	1270–2600 MPa
Dehnung bei Bruch	18 %	4 %	120–300 %

SLS-Teile weisen ausgezeichnete Zugfestigkeit und Modulwerte auf, vergleichbar mit dem Volumenmaterial, sind jedoch spröder – ihre Dehnung bei Bruch ist deutlich geringer. Dies liegt an der inneren Porosität des fertigen Teils.

Schwinden & Verzug

SLS-Teile neigen zu Schwinden und Verzug. Wenn die neu gesinterte Schicht abkühlt, verringern sich ihre Abmessungen und es bauen sich innere Spannungen auf, die die darunterliegende Schicht nach oben ziehen.

Ein Schwinden von 3 bis 3,5 % ist beim SLS typisch, aber Maschinenbediener berücksichtigen dies während der Bauvorbereitung und passen die Größe des Designs entsprechend an.

Große flache Oberflächen verziehen am ehesten. Das Problem kann etwas gemildert werden, indem das Teil vertikal auf der Bauplattform ausgerichtet wird. Die beste Praxis ist jedoch, das Volumen zu reduzieren, indem die Dicke flacher Bereiche minimiert und Ausschnitte in das Design integriert werden. Diese Strategie senkt auch die Gesamtkosten des Teils, da weniger Material verwendet wird.

Übersintern

Übersintern tritt auf, wenn Strahlungswärme ungesintertes Pulver um ein Merkmal herum verschmilzt. Dies kann zu Detailverlust bei kleinen Strukturen wie Schlitzen und Bohrungen führen. Als Faustregel gelten: Schlitze breiter als 0,8 mm und Bohrungen mit einem Durchmesser größer als 2 mm können im SLS ohne Angst vor Übersintern gedruckt werden. Lesen Sie unseren Artikel Designrichtlinien für SLS 3D-Druck für weitere DFM-Tipps.

Pulverentfernung

Da SLS kein Stützmaterial benötigt, können Teile mit Hohlräumen einfach und präzise gedruckt werden.

Hohlräume reduzieren Gewicht und Kosten eines Teils, da weniger Material verbraucht wird. Entlüftungsöffnungen sind erforderlich, um das ungesinterte Pulver aus den inneren Bereichen des Bauteils zu entfernen. Wir empfehlen, mindestens zwei Entlüftungsöffnungen mit einem Mindestdurchmesser von 5 mm in das Design aufzunehmen.

Wenn ein hoher Steifigkeitsgrad erforderlich ist, müssen Teile massiv gedruckt werden. Eine Alternative ist ein hohles Design ohne Entlüftungsöffnungen. Dabei bleibt dicht gepacktes Pulver im Teil eingeschlossen, was dessen Masse erhöht und etwas zusätzlichen Halt gegen mechanische Lasten bietet, ohne die Bauzeit zu beeinflussen. Eine interne Waben-Gitterstruktur (ähnlich den Infill-Mustern beim FDM) kann dem ausgehöhlten Innenraum hinzugefügt werden, um die Steifigkeit weiter zu erhöhen. Ein solches Aushöhlen kann auch Verzug reduzieren.

Welche Eigenschaften hat SLS 3D-Druck?

Die wichtigsten Eigenschaften von SLS sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

	Selektives Lasersintern (SLS)
Materialien	Thermoplaste (meist Nylon)
Dimensionsgenauigkeit	± 0,3 % (untere Grenze ± 0,3 mm)
Typische Bauraumgröße	300 x 300 x 300 mm (bis zu 750 x 550 x 550 mm)
Übliche Schichtdicke	100–120 µm
Stützstrukturen	Nicht erforderlich

Welche Materialien werden für SLS-Druck verwendet?

Das am weitesten verbreitete SLS-Material ist Polyamid 12 (PA 12), auch bekannt als Nylon 12. Der Preis pro Kilogramm PA 12 Pulver liegt bei ca. 50–60 $. Andere technische Kunststoffe wie PA 11 und PEEK sind ebenfalls verfügbar, werden aber weniger häufig eingesetzt.

Polyamidpulver kann mit verschiedenen Additiven gefüllt werden, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften der SLS-Teile zu verbessern. Beispiele für Additive sind Kohlefasern, Glasfasern oder Aluminium. Mit Additiven gefüllte Materialien sind in der Regel spröder und können ein stark anisotropes Verhalten zeigen.

Material	Eigenschaften
Polyamid 12 (PA 12)	+ Gute mechanische Eigenschaften + Gute chemische Beständigkeit - Matte, raue Oberfläche
Polyamid 11 (PA 11)	+ Vollständig isotropes Verhalten + Hohe Elastizität
Aluminium-gefülltes Nylon (Alumide)	+ Metallische Optik + Hohe Steifigkeit
Glasfaser-gefülltes Nylon (PA-GF)	+ Hohe Steifigkeit + Hohe Verschleiß- & Temperaturbeständigkeit - Anisotropes Verhalten
Kohlefaser-gefülltes Nylon (PA-FR)	+ Exzellente Steifigkeit + Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis - Stark anisotrop

Welche Nachbearbeitungsoptionen gibt es für SLS?

SLS 3D-Druck erzeugt Teile mit einer pudrigen, körnigen Oberflächenbeschaffenheit, die leicht Flecken aufweisen kann. Das Erscheinungsbild von SLS-gedruckten Teilen kann durch verschiedene Nachbearbeitungsmethoden auf einen sehr hohen Standard gebracht werden, wie z. B. Gleitschleifen, Färben, Lackieren und Beschichten. Auch die Funktionalität kann durch Auftragen einer wasserdichten Beschichtung oder einer Metallbeschichtung verbessert werden. Weitere Details finden Sie in diesem ausführlichen Artikel zur Nachbearbeitung von SLS-Teilen.

Was sind die Vorteile von SLS 3D-Druck?

• SLS-Teile haben gute, isotrope mechanische Eigenschaften – ideal für funktionale Teile und Prototypen.

• SLS benötigt keine Stützstrukturen, sodass Designs mit komplexen Geometrien einfach hergestellt werden können.

• Die Fertigungsmöglichkeiten von SLS eignen sich hervorragend für kleine bis mittlere Serienproduktionen.

• Das gesamte verbleibende ungesinterte Pulver wird gesammelt und kann wiederverwendet werden.

Was sind die Nachteile von SLS 3D-Druck?

• Derzeit sind nur industrielle SLS-Systeme weit verbreitet, weshalb Lieferzeiten länger sind als bei anderen 3D-Drucktechnologien wie FDM und SLA.

• SLS-Teile haben eine körnige Oberflächenbeschaffenheit und innere Porosität, die Nachbearbeitung erfordern können, wenn eine glatte Oberfläche oder Wasserdichtigkeit gefordert sind.

• Große flache Oberflächen und kleine Bohrungen können mit SLS nicht präzise gedruckt werden, da sie anfällig für Verzug und Übersintern sind.

Best Practices für SLS

Ist SLS 3D-Druck das Richtige für Ihr Teil oder Projekt? Dies sind die Faustregeln:

• SLS kann funktionale Teile aus einer großen Bandbreite an technischen Kunststoffen herstellen – am häufigsten Nylon (PA12).

• Der typische Bauraum eines SLS-Systems beträgt 300 x 300 x 300 mm.

• SLS-Teile weisen gute mechanische Eigenschaften und isotropes Verhalten auf. Für Bauteile mit besonderen Anforderungen sind additiv-gefüllte PA-Pulver verfügbar.