Wie Selektives Lasersintern (SLS) 3D-CAD-Designs in feste Bauteile verwandelt

SLS in der additiven Fertigung wird verwendet, um 3D-CAD-Designs in physikalische Teile umzuwandeln – in wenigen Stunden.

Was ist die Definition von Selective Laser Sintering? SLS steht für Selective Laser Sintering, eine 3D-Druck- oder Additive-Manufacturing-Technik (AM). SLS verwendet einen Prozess namens Sintern, bei dem pulverförmiges Material auf nahezu Schmelztemperatur erhitzt wird, wodurch sich Partikel verbinden und einen festen Körper bilden.

SLS kann eine Vielzahl von Materialien verwenden – am häufigsten Nylon, manchmal auch Kunststoffe und Metalle.

Aufgrund seiner Fähigkeit, zuvor „unmögliche“ Teile herzustellen (lesen Sie weiter für mehr Informationen) und der hohen Wiederverwertbarkeit von Materialien, ist SLS seit seiner Kommerzialisierung Anfang der 1990er Jahre in industriellen Umgebungen beliebt.

SLS wurde ursprünglich in den 1980er Jahren von Carl Deckard und Joe Beaman unter der Schirmherrschaft der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), einer Forschungs- und Entwicklungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums, entwickelt.

Obwohl SLS-Technologie keineswegs neu ist, wird sie noch immer hauptsächlich für industrielle Anwendungen eingesetzt. Der präzise Laser im SLS-Prozess ermöglicht hochpräzise Fertigung, selbst von komplexen Teilen. Aus diesem Grund wird SLS häufig für Rapid Prototyping und die Produktion von kundenspezifischen Kleinserien verwendet.

Andererseits machten der Einsatz leistungsstarker Laser und pulverförmiger Materialien es für die meisten Kleinanwendungen oder den Heimgebrauch unpraktisch, insbesondere da SLS-Drucker wesentlich teurer sind als andere populäre Technologien wie Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-Drucker.

Neuere Entwicklungen in Pulverbettfusionstechnologien haben das Interesse an SLS wiederbelebt, das nun hinter FDM und Stereolithografie (SLA) an Popularität zurückgefallen ist.

Selektives Lasersintern (SLS): Vorverarbeitung von SLS-Modellen

Jede Additive Manufacturing-Technik (AM) hat ihre Grenzen, und SLS (Selective Laser Sintering) ist keine Ausnahme. Insbesondere eignet sich SLS nicht für den Druck scharfer Kanten oder dünner Wände, und Designs, die diese Merkmale aufweisen, müssen während der Vorverarbeitung angepasst werden. Zum Beispiel:

• Teile mit dünnen Wänden können mit einem Designprodukt analysiert werden, das eine Dünnwandanalyse-Funktion enthält. Diese Funktion simuliert den Druckprozess und hilft dem Designer festzustellen, ob sein Design wahrscheinlich erfolgreich druckt. Wenn nicht, können vor dem Druck entsprechende Änderungen vorgenommen werden.
• Für Teile mit scharfen Kanten können Designer die Abrundungs-Funktion ihrer CAD-Software verwenden, um diese Kanten zur Vorbereitung eines erfolgreichen Drucks abzurunden.

Ein paar zusätzliche Punkte zu beachten:

• Wenn ein Projekt übermäßig komplexe Geometrien umfasst, können Designer Geometrievereinfachungstools während ihrer Datenvorbereitung für SLS verwenden, um sicherzustellen, dass ihr Design druckbereit ist.
• Gleichzeitig werden viele SLS-Teile hohl gedruckt, um Gewicht zu sparen. Designer können automatisierte Tools verwenden, um ihre Designs „auszuhöhlen“ und Entlüftungslöcher einzufügen, um ungesintertes Material nach dem Druck zu entfernen.
• Bei der Arbeit mit voll funktionsfähiger Designsoftware sollten Designer Simulationsmodellierungstechniken verwenden, um zu sehen, wie ihr Design wahrscheinlich während des Druckprozesses und bei realer Nutzung abschneidet.

Schließlich muss ein 3D-Modell vor dem Drucken in 2D-Schichten (auch Querschnitte genannt) „gesliced“ werden, die der SLS-Drucker verwendet, um seinen Laser über jede Schicht pulverförmigen Materials zu führen. Während einige kostenlose „Slicer“ für die Datenvorbereitung für SLS verfügbar sind, kann ihre Zuverlässigkeit fraglich sein, und professionelle Designer wird geraten, für ihre Vorverarbeitungsanforderungen mit einem anerkannten Softwarepaket zu arbeiten.

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Der SLS-Prozess in der additiven Fertigung

Der Selective Laser Sintering-Prozess ähnelt dem anderer Pulverbettfusionstechnologien in folgenden Punkten:

1. Ein Designer erstellt ein 3D-Modell mit einem Computer-Aided Design (CAD)-Programm.
2. Das Design wird in dünne (2D) Schichten aufgeteilt.
3. Das aufgeteilte Design wird an den SLS-Drucker gesendet.
4. Eine Nivellierwalze verteilt eine dünne Schicht pulverförmigen Materials auf der Bauplattform des Druckers.
5. Ein CO₂-Laser zeichnet einen Querschnitt auf dem Material nach, erhitzt und verschmilzt es.
6. Sobald eine Schicht abgeschlossen ist, wird die Bauplattform abgesenkt, um Platz für die nächste Pulverschicht zu schaffen.
7. Unbenutztes Material wird nach jeder Schicht recycelt.
8. Der SLS-Prozess wird wiederholt, Schicht für Schicht, bis das Teil fertiggestellt ist.

Während des Druckprozesses sind SLS-Teile von ungesintertem Pulver umgeben. Dieses zusätzliche Pulver stützt das Teil während des Drucks und macht Stützstrukturen überflüssig.

Selektives Lasersintern: Nachbearbeitung

Der erste Schritt in der SLS-Nachbearbeitung ist die Teileentnahme. Neu gedruckte SLS-Teile sind in einen porösen Kokon aus teilgesintertem Pulver eingeschlossen, der aufgebrochen werden muss, um das Teil zu entfernen. Während dieser Prozess in einer Heimumgebung unordentlich wäre, wird SLS hauptsächlich in industriellen Umgebungen eingesetzt, wo speziell entwickelte Reinigungskammern verwendet werden, die luftdichte Gehäuse mit einem Einlass für Druckluft beinhalten.

Nach der Reinigung werden SLS-gedruckte Teile untersucht und getestet, um sicherzustellen, dass sie den ursprünglichen Spezifikationen entsprechen. Da SLS-Teile anfällig für Schrumpfung und Verzug sind, muss dieser Prozess sicherstellen, dass jedes Teil für seinen Zweck geeignet ist.

Schließlich werden die meisten SLS-Teile gefärbt und/oder beschichtet, um sie für den realen Einsatz vorzubereiten. Farbstoffe und Beschichtungen reichen von rein kosmetischen bis hin zu hochfunktionalen, einschließlich Beschichtungen, die:

• Kratzfest
• Reflektierend oder nicht-reflektierend
• Polarisiert
• Haltbar

SLS-Materialrückgewinnung

Die Rückgewinnung von Restmaterial ist ein wesentlicher Teil des SLS-Fertigungsprozesses.

Da pulverförmiges Material SLS-Teile während des Drucks stützt, wird weit mehr Pulver verwendet als für das eigentliche Teil benötigt. Da jedoch alles Pulver in der Baukammer vorgeheizt wird, um den Sinterprozess zu unterstützen, ist „verbrauchtes“ Pulver für zukünftigen SLS-Druck weniger effektiv als unbenutztes Pulver. Daher empfehlen SLS-Druckexperten, maximal 50 % recyceltes Pulver für jedes SLS-Druckprojekt zu verwenden.

Verschiedene Arten von SLS-Systemen

Grundlegend gibt es zwei verschiedene Arten von SLS-Systemen: industrielle und Desktop-Systeme.

Industrielle SLS-Systeme

Industrielle SLS-Systeme gibt es seit Jahrzehnten und wurden von führenden Akteuren in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobil und Werkzeugbau. Industrielle SLS-Systeme verwenden einen oder mehrere hochleistungsfähige CO₂-Laser.

Aufgrund ihrer Größe und Hitzanforderungen erfordern industrielle SLS-Systeme eine inerte Umgebung, um sicherzustellen, dass Pulver nicht oxidiert. Daher verlangen diese Systeme auch spezialisierte Ausrüstung zur Verwaltung von Luftzufuhr und -abfuhr. Sie benötigen auch eine industrielle Stromversorgung.

Desktop-SLS-Systeme

Desktop-SLS-Systeme verwenden einen ähnlichen Prozess wie industrielle Systeme, sind aber in eine Maschine verpackt, die problemlos in eine kleine Geschäfts- oder Hobbyumgebung passt. Diese Systeme verwenden leistungsschwächere Dioden- oder Faslaser anstelle von CO₂-Lasern, was teilweise für ihre geringeren Kosten verantwortlich ist.

Aufgrund ihrer geringeren Größe benötigen Desktop-Systeme auch weniger Hitze für den Sinterprozess, was die Notwendigkeit spezialisierter Luftmanagementsysteme eliminiert und es ihnen ermöglicht, mit Standard-Wechselstrom zu laufen.

SLS-Materialien

Der Begriff SLS beschreibt typischerweise kunststoffbasiertes Sintern, obwohl er auch als Sammelbegriff für das Sintern von Materialien verwendet werden kann, die Kunststoffe, Metalle, Glas, Keramik und Verbundwerkstoffe umfassen. Der Prozess bleibt bei allen Materialien ähnlich, obwohl die für den Sinterprozess benötigte Temperatur variiert.

Wenn SLS auf Metalle angewendet wird, wird typischerweise der Begriff Direct Metal Laser Sintering (DMLS) verwendet. Der Prozess ist genau derselbe wie zuvor in diesem Artikel beschrieben, aber der Sinterprozess erfordert erheblich mehr Hitze als beim kunststoffbasierten Sintern.

SLS-Vorteile und -Nachteile

Wie jeder Fertigungsprozess hat SLS sowohl Vor- als auch Nachteile.

SLS-Vorteile umfassen:

• Selbsttragend. Während SLS-Teile gebaut werden, werden Hohlräume mit ungesintertem Pulver gefüllt. Daher sind SLS-Drucke selbsttragend und erfordern keine zusätzlichen Stützstrukturen.
• Designfreiheit. Da keine Stützstrukturen benötigt werden, haben Designer weit mehr Freiheit, Teile zu erstellen, die ihre Ziele erfüllen, ohne sich um Fertigbarkeit sorgen zu müssen. Dadurch können viele Teile, die aufgrund der Einschränkungen traditioneller subtraktiver Fertigungstechniken als „unmöglich“ galten, nun mit SLS-Additiver Fertigung hergestellt werden.
• Geschwindigkeit. Da das in SLS verwendete Nylonpulver nur sehr kurze Laserbelichtung zum Sintern benötigt, gehört SLS-Druck zu den schnellsten 3D-Drucktechnologien. Im Gegensatz zu anderen Techniken wie FDM gibt es bei SLS praktisch keinen Kompromiss zwischen Druckgeschwindigkeit und hoher Qualität.
• Einfach zu färben. SLS-Drucke sind von Natur aus porös und nehmen Feuchtigkeit und andere Flüssigkeiten leicht auf. Diese poröse Natur macht SLS-Teile ideal zum Färben, insbesondere bei Verwendung eines Heißbadprozesses.

SLS-Nachteile umfassen:

• Porös und spröde. Die poröse Natur von SLS-Teilen kann ihre strukturelle Integrität beeinträchtigen. Obwohl sie typischerweise eine hervorragende Zugfestigkeit aufweisen, sind SLS-Teile unflexibel und können unter relativ geringen Verformungsgraden versagen. Aus diesem Grund werden SLS-Drucke oft als Proof-of-Concept-Prototypen verwendet. SLS-gefertigte Teile können auch eine raue Oberflächenbeschaffenheit haben.
• Anfällig für Schrumpfung und Verzug. Das in SLS verwendete Nylonpulver wird während des Sinterns hohen Temperaturen ausgesetzt und kühlt anschließend schnell ab. Wenn ein Teil abkühlt, zieht es sich auch zusammen, was zu Ungenauigkeiten in gedruckten Teilen führen kann – am häufigsten an scharfen Kanten und Ecken.
• Abfall. Obwohl Pulver aus dem SLS-Druck wiederverwendet werden kann, empfehlen die meisten SLS-Experten, wie oben erwähnt, maximal 50 % recyceltes Pulver in zukünftigen Drucken zu verwenden. Daher gibt es immer ein Element der Verschwendung im SLS-Druckprozess.
• Kosten. Selbst ein Desktop-SLS-Drucker kann zwischen 5.000 $ und 40.000 $ kosten – weit mehr als vergleichbare Drucker, die andere AM-Techniken verwenden. Wie Sie sich vorstellen können, werden industrielle SLS-Drucker sehr schnell sehr teuer.

Wann SLS verwenden

Die beliebteste Verwendung von SLS ist Rapid Prototyping, wo seine Geschwindigkeit und selbsttragende Natur es ideal machen. SLS erleichtert Designern die Erstellung und Prüfung einer breiten Palette von Prototypen, ohne durch die Notwendigkeit eingeschränkt zu sein, strukturelle Stützen einzubeziehen oder traditionellere Fertigungstechniken wie Spritzguss zu verwenden.

Welche Branchen verlassen sich auf SLS?

Aufgrund der Vorteile, die es bietet, wurde SLS stark in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Medizinindustrie eingesetzt.

Während Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilhersteller hauptsächlich Metall- und Verbundpulver für hohe Haltbarkeit verwenden, bevorzugen Medizinhersteller meist thermoplastisches Polyurethan (TPU) – einen flexiblen und hochhaltbaren Kunststoff mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, Haltbarkeit und Beständigkeit gegen Öle und Chemikalien.

SLS wird typischerweise in Situationen eingesetzt, in denen der Preis nicht die Hauptüberlegung ist, zumindest in Bezug auf Kapitalequipment. SLS-Systeme können extrem teuer sein, was ein Hauptgrund ist, warum der Prozess hauptsächlich in industriellen Umgebungen verwendet wird.

Abgesehen von Kapitaleinsatz können Hersteller, die viele Kleinserienteile produzieren – z. B. Prototypen – tatsächlich Kosten mit SLS sparen. SLS wird häufig zur Herstellung von Kleinserien- und Sonderteilen eingesetzt, da es die Herstellung dieser ohne den erheblichen Aufwand von Werkzeugbau erleichtert.

Häufige Anwendungsfälle umfassen:

• Spezialwerkzeuge und Vorrichtungen
• Kraftstofftanks
• Luftkanäle
• Architekturmodelle
• Flugzertifizierte Komponenten für unbemannte Luftfahrzeuge
• Automobildesigns
• Künstlerische Skulpturen

Was kommt als Nächstes für SLS?

Derzeit ist SLS hauptsächlich auf industrielle Anwendungen beschränkt – vor allem aufgrund der hohen Kosten von SLS-3D-Druckern, aber auch wegen des Einsatzes leistungsstarker Laser und pulverförmiger Materialien. Für den Moment sind, wenn Sie Hobbyist oder Heimanwender sind, andere Techniken wie FDM und SLA erschwinglichere Optionen. In industriellen Umgebungen können SLS-Systeme jedoch extrem wertvoll sein.

Wie bei allen AM-Techniken beruht SLS jedoch auf der Fähigkeit des Herstellers, hochpräzise und optimierte 3D-Modelle zu erstellen. Und angesichts der Einschränkungen von SLS – insbesondere der Unfähigkeit, Teile mit dünnen Wänden oder scharfen Kanten zu drucken – sind bestimmte Softwarefunktionen für die Erstellung und Optimierung dieser Modelle unerlässlich.

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