Selektives Lasersintern (SLS): Der komplette Leitfaden für 3D-Druck-Profis
Selektives Lasersintern (SLS) ist das führende pulverbasierte additive Fertigungsverfahren für funktionale Endbauteile aus Thermoplasten. Es ermöglicht isotrope Materialeigenschaften, maximale Designfreiheit (keine Stützstrukturen) und wirtschaftliche Kleinserienfertigung – und hält zunehmend Einzug in KMU und Entwicklungsabteilungen.
Was ist SLS-3D-Druck?
Ein hochleistungsfähiger CO₂-Laser sintert (verschweißt) pulverförmiges Polymer (meist PA12) Schicht für Schicht (0,08–0,12 mm) zu einem festen 3D-Bauteil. Das umgebende, ungesinterte Pulver dient als Stützmaterial – keine separaten Stützstrukturen nötig. Nach dem Druck wird das Bauteil aus dem Pulverbett entnommen, entpudert und nachbearbeitet.
SLS vs. SLA vs. FDM – Die drei großen Verfahren
| Merkmal | SLS | SLA | FDM |
|---|---|---|---|
| Materialform | Pulver | Flüssiges Harz | Filament |
| Stützstrukturen | Nein (Pulverbett) | Ja | Ja |
| Isotropie | Hoch (fast 100 %) | Mittel (Harz-abhängig) | Niedrig (anisotrop) |
| Oberfläche | Matt, leicht rauh | Glatt, hochauflösend | Sichtbare Schichten |
| Typ. Material | PA12, PA11, TPU, PP | Acrylat/Epoxid-Harze | PLA, PETG, ABS, PA, PC |
| Anschaffung | 30k–500k+ € | 200–300k € | 200–100k € |
SLS vs. Spritzguss (Injection Molding)
SLS wird oft als „Brücke“ zum Spritzguss genutzt:
- Vorteile SLS: Keine Werkzeugkosten (0 € vs. 10k–100k+ €), Lieferzeit Tage statt Wochen/Monate, Designänderungen jederzeit kostenlos, komplexe Geometrien (Unterschnitte, Gitter) möglich.
- Vorteile Spritzguss: Stückkosten bei >10.000 Teilen drastisch niedriger, breitere Materialpalette (alle Thermoplaste), bessere Oberflächen, höhere Präzision, zertifizierte Prozesse (Medizin, Auto).
- Typischer Workflow: SLS für Prototypen, Nullserie, Bridge-Produktion (100–5.000 Stk.) → Spritzguss für Großserie.
SLS vs. SLM (Selektives Laserschmelzen)
- SLS: Sintern (Teilschmelze, Partikel verschweißen an Kontaktstellen) – Polymere (PA, TPU, PP). Porösität ~5–10 %.
- SLM / DMLS: Vollständiges Aufschmelzen – Metalle (Al, Ti, Stahl, Inconel, CoCr). Dichte >99,5 %. Deutlich höhere Laserleistung (200–1000 W vs. 30–100 W), Inertgas (Argon/Stickstoff), höhere Temperaturen.
- Gemeinsamkeit: Pulverbett, Laser, Schichtbau, keine Stützen (bei SLM oft doch nötig wegen Restspannungen).
Der SLS-Prozess Schritt für Schritt
- CAD & Datenvorbereitung: 3D-Modell (STL/3MF/STEP) → Orientierung, Nesting (Packen mehrerer Teile), Support-freies Design.
- Slicing & Parameter: Schichthöhe (0,1 mm), Laserleistung, Scan-Geschwindigkeit, Hatch-Abstand, Layer-Zeit, Vorheiztemperatur (Bauraum ~170 °C für PA12).
- Materialvorbereitung: Frischpulver + Recyclingpulver (Refresh-Rate 30–50 %) mischen, trocknen (Feuchte <0,1 %), in Dosierbehälter füllen.
- Druck (Build):
- Recoater (Walze/Klinge) zieht Pulverschicht auf.
- Laser sintert Querschnitt (Vektoren + Kontur).
- Bauplatte senkt sich um Schichthöhe.
- Wiederholen bis Bauteilhöhe erreicht.
- Abkühlung (Cool-down): Kritisch! Langsames Abkühlen (Stunden) im Bauraum verhindert Verzug & Risse. Nicht öffnen vor <40 °C.
- Entnahme & Entpulvern: Bauteile aus Pulverkuchen brechen, überschüssiges Pulver entfernen (Bürsten, Druckluft, Sandstrahlen mit Glasperlen/Plastikgranulat).
- Nachbearbeitung (optional): Färben (Tauchbad), Infiltrieren (Epoxidharz, Zyanacrylat – Dichtigkeit, Festigkeit), Schleifen, CNC-Nachbearbeitung, Gewindeschneiden.
Materialien für SLS
Standard: PA12 (Nylon 12 / Polyamid 12)
- Zugfestigkeit: 48–50 MPa (X/Y), 45–48 MPa (Z)
- Zugmodul: 1.700–1.850 MPa
- Bruchdehnung: 15–25 % (X/Y), 8–12 % (Z)
- HDT (0,45 MPa): 180 °C; HDT (1,8 MPa): 95 °C
- Dichte: 0,93–0,98 g/cm³ (gesintert)
- Biokompatibel (ISO 10993), lebensmittelecht (EU 10/2011), sterilisierbar (Autoklav, Gamma, EtO).
Weitere Materialien
- PA11 (Rilsan®): Biobasis (Rizinusöl), höhere Zähigkeit, bessere Schlagfestigkeit bei Kälte, chemisch beständiger.
- PA6: Höhere Steifigkeit, Temperaturbeständigkeit, aber schwieriger zu verarbeiten (Feuchte!).
- TPU (Flexibel): Shore 70A–90A, elastisch, abriebfest, für Dichtungen, Schuhe, Orthopädie.
- PP (Polypropylen): Chemisch beständig, lebensmittelecht, geringes Gewicht, schwer zu sintern (Kristallinität).
- Komposite: PA12 + Glasfasern (GF), Kohlefasern (CF), Aluminium (Alumide) – höherer Modul, geringere Zähigkeit.
Vorteile von SLS
- Keine Stützstrukturen → maximale Designfreiheit (interne Kanäle, Gitter, bewegliche Mechanismen im Druck).
- Fast isotrope Eigenschaften → Bauteile belastbar in alle Richtungen.
- Hohe Produktivität durch Nesting → Bauraum volumenoptimal füllen.
- Etablierte Werkstoffe (PA12) → bekanntes Langzeitverhalten, Zertifizierungen.
- Niedrige Stückkosten bei Serie (kein Werkzeug, Materialeffizienz durch Recycling).
- Gute Hitzebeständigkeit & Chemikalienbeständigkeit.
Nachteile & Herausforderungen
- Hohe Investition (Maschine, Peripherie: Entpulverstation, Siebstation, Trockner, Inertgas, Absaugung, ESD-Schutz).
- Pulverhandling & Sicherheit: Feinstaub (Explosionsgefahr, Gesundheitsrisiko), Stickstoff-Inertisierung, PSA, Schulung.
- Begrenztes Materialportfolio vs. FDM/Spritzguss (kein PC, POM, PEEK, PEI im Standard-SLS).
- Rauhe, poröse Oberfläche → oft Nachbearbeitung nötig (Färben, Infiltrieren, Schleifen).
- Recycling begrenzt: Pulver altert (thermische Historie, Feuchte, Partikelgröße) → Refresh-Rate 30–50 % Frischpulver nötig.
- Lange Zykluszeit (Aufheizen 2–4 h, Druck, Abkühlen 6–12 h) → nicht für „Quick Turn“ Einzelteile.
Mechanische Festigkeit von SLS-Teilen (PA12)
SLS-PA12 erreicht Eigenschaftswerte nahe am Spritzguss (ca. 90–95 %):
- Zugfestigkeit: 48–50 MPa
- Zugmodul: 1.750–1.850 MPa
- Bruchdehnung: 15–25 %
- Schlagzähigkeit (Charpy): 4–6 kJ/m²
- Härte: Shore D 75–80
Wichtig: Eigenschaften hängen stark von Prozessparametern (Energieeintrag, Temperaturhomogenität), Pulverqualität (Frisch/Recycle-Mix), Bauteilorientierung und Nachbearbeitung ab.
Auflösung & Genauigkeit
- Schichthöhe: 0,08–0,12 mm (Standard 0,1 mm).
- Laser-Spot-Durchmesser: 0,3–0,5 mm → minimale Wandstärke ~0,6–1,0 mm.
- Maßgenauigkeit: ±0,3 % (min. ±0,3 mm) – besser als FDM, schlechter als SLA/Spritzguss.
- Oberflächenrauheit Ra: 8–15 µm (ungeschliffen).
Geschwindigkeit & Durchsatz
- Baugeschwindigkeit (Z-Höhe/h): 20–48 mm/h (abhängig von Laserleistung, Schichthöhe, Pulver).
- Volumenrate: 5–15 l/h (effektiv sintertes Volumen).
- Durch Nesting: 50–200+ Teile pro Baujob (bei kleinen Teilen).
- Gesamtzyklus (inkl. Abkühlen): 24–48 h.