Beherrschung des SLS-3D-Drucks:Techniken, Materialien und reale Anwendungen

Selektives Lasersintern (SLS) ist eine revolutionäre additive Fertigungstechnologie (3D-Druck), die die Art und Weise, wie Teile entworfen und hergestellt werden, verändert hat. SLS erstellt Teile mithilfe eines leistungsstarken Lasers, der thermoplastische Pulver methodisch zusammensintert, um Teile durch aufeinanderfolgende Schichten aufzubauen. Komplexe Kunststoffteile, beispielsweise solche mit Hinterschneidungen und internen Merkmalen, deren Herstellung mit anderen Fertigungsmethoden schwierig ist, können problemlos mit dem SLS-3D-Druck hergestellt werden, wobei (wenn überhaupt) nur wenig Nachbearbeitung erforderlich ist. Darüber hinaus kann mit dem SLS-Verfahren eine breite Palette thermoplastischer Materialien wie Nylon, Polypropylen und thermoplastisches Urethan verwendet werden. Als additive Fertigungsmethode (AM) hat SLS die Produktentwicklungs- und Prototyping-Prozesse rationalisiert, aber auch zu einem Paradigmenwechsel in der Art und Weise geführt, wie Teile für kleine bis mittlere Chargen hergestellt werden.

Was ist selektiver Lasersinter-3D-Druck?

Selektives Lasersintern (SLS) ist eine PBF-3D-Drucktechnologie. Diese Technologie nutzt einen Laser, um Kunststoffpartikel Schicht für Schicht zusammenzusintern, bis das 3D-gedruckte Teil fertig ist. SLS funktioniert typischerweise mit Kunststoffen und erfordert keine Stützstrukturen, da das Pulver selbst ausreichend Halt bietet. 

Beim selektiven Lasersintern wird zunächst eine dünne Schicht aus Kunststoffpartikeln auf der Grundplatte verteilt, die auf knapp unter die Schmelztemperatur des Kunststoffs erhitzt wird. Dieser Kunststoff wird von einem Wiederbeschichter verteilt, der eine Materialschicht in der gewünschten Dicke aufträgt. Anschließend wird ein Laser auf einen Scanspiegel gerichtet, um den Querschnitt des Teils abzuzeichnen und die Partikel zusammenzusintern. Nachdem eine Schicht fertig ist, bewegt sich das Druckbett nach unten und eine weitere Pulverschicht wird auf die vorherige aufgetragen. Der Vorgang wiederholt sich, bis das Teil fertig ist.

Stifthalter mit SLS-Druck

Wie funktioniert der selektive Lasersinter-3D-Druck?

Beim selektiven Lasersintern wird zunächst eine dünne Schicht aus Kunststoffpartikeln auf der Grundplatte verteilt, die auf knapp unter die Schmelztemperatur des Kunststoffs erhitzt wird. Dieser Kunststoff wird von einem Wiederbeschichter verteilt, der eine Materialschicht in der gewünschten Dicke aufträgt. Anschließend wird ein Laser auf einen Scanspiegel gerichtet, um den Querschnitt des Teils abzuzeichnen und die Partikel zusammenzusintern. Nachdem eine Schicht fertig ist, bewegt sich das Druckbett nach unten und eine weitere Pulverschicht wird auf die vorherige aufgetragen. Der Vorgang wiederholt sich, bis das Teil fertig ist.

Was sind die Vor- und Nachteile von SLS?

In der folgenden Tabelle 1 sind die Vor- und Nachteile der SLS-3D-Druckertechnologie aufgeführt:

Tabelle 1:Vor- und Nachteile von SLS

Vorteile Nachteile

Vorteile

SLS-Teile benötigen kein Stützmaterial, da das Pulver selbst das Material stützt. Dies erleichtert das Drucken interner Volumina, vorausgesetzt, es gibt einen Weg, durch den das Pulver nach dem Drucken abfließen kann.

Nachteile

SLS verfügt im Vergleich zu anderen Technologien wie FDM (Fused Deposition Modeling) über eine relativ begrenzte Auswahl an verfügbaren Materialien. Nylon, Polystyrol und TPU sind mögliche Materialien für SLS, wobei Nylon am häufigsten verwendet wird.  

Vorteile

Während bei SLS im Allgemeinen weißes, schwarzes oder graues Nylon verwendet wird, können die Teile nach dem Drucken in verschiedenen Farben eingefärbt werden.

Nachteile

SLS-Teile sind porös, da die einzelnen Kunststoffpartikel nicht vollständig zu einer homogenen Masse geschmolzen, sondern an den Partikelenden zusammengesintert sind und dazwischen Hohlräume zurückbleiben.

Vorteile

SLS-Teile können sehr feine, sehr detaillierte Merkmale aufweisen. Diese Leistung ist darauf zurückzuführen, dass der Brennpunkt des Lasers so klein ist. Es können Merkmale bis zu einer Größe von 0,75 mm gedruckt werden. 

Nachteile

Nur 50 % des beim Drucken nicht verbrauchten Pulvers können recycelt werden. Dies bedeutet, dass im Laufe der Zeit einiges an Material weggeworfen werden muss, was SLS im Vergleich zu anderen Technologien wie FDM oder SLA (Stereolithographie) relativ verschwenderisch macht.

Vorteile

Der SLS-Druck ist im Vergleich zu Technologien wie FDM und sogar SLA sehr schnell, da jede Schicht fast sofort gesintert werden kann. 

Nachteile

Die SLS-Drucktechnologie ist im Vergleich zu SLA und FDM kostspielig, deren Kerntechnologien nicht so spezialisiert sind, da zum Sintern des Materials ein Laser erforderlich ist.

Was sind die SLS-Druckmaterialien?

Für SLS ist die Anzahl der verfügbaren Materialien begrenzt, wobei Nylon am häufigsten verwendet wird. Nachfolgend sind die verschiedenen verfügbaren Materialien aufgeführt:

1. Nylon/PA11: Dieses Material ist robust und weist eine gute Schlagfestigkeit auf. PA11 hat eine höhere Temperaturbeständigkeit als PA12 und kann sich im Vergleich zu PA12 stärker verformen, bevor es bricht.
2. Nylon/PA12: Dieses Material ist steif, hochfest, gut chemikalienbeständig und biokompatibel. PA12 hat im Vergleich zu PA11 einen geringeren Wärmewiderstand. PA12 ist das am häufigsten verwendete Material im SLS-Druck. 
3. Gefülltes Nylon: Die Eigenschaften von PA11 und PA12 können durch den Zusatz von Füllstoffen wie Glas- und Kohlefasern modifiziert werden, die die thermischen und mechanischen Eigenschaften verbessern. 
4. Gießbares Polystyrol: Dieses Material ist als Urteil für Vakuumformen und Sandguss konzipiert. Es weist eine geringe Zähigkeit und einen niedrigen Schmelzpunkt auf und ist nicht für Funktionsteile vorgesehen.
5. TPU-Elastomer: Dieses Material hat eine gummiartige Flexibilität mit guter Zähigkeit und Abriebfestigkeit. Es kann auch so modifiziert werden, dass es unterschiedliche Härten auf der Shore-A-Skala aufweist. 

Das Schöne daran ist, dass Sie tatsächlich Teile ohne Unterstützung bauen können. Herkömmliche 3D-Druckmethoden verfügen normalerweise über eine Stützstruktur für alle überhängenden Elemente. SLS ist etwas einfacher. Es ist wie eine Schatzsuche. Sie finden Ihre Teile im Inneren und können sie praktisch abbürsten.

Greg Paulsen

Direktor, Anwendungstechnik

Was sind die Hauptbestandteile eines SLS-3D-Druckers?

Die verschiedenen Teile eines 3D-SLS-Druckers sind unten aufgeführt:

1. Laser: Mit dem Laser (typischerweise ein CO2-Laser) werden die Kunststoffpartikel ineinander versintert. Der Laser wird mithilfe eines Scanspiegels ausgerichtet, der den Laser so ausrichtet, dass er den Schichtquerschnitt nachzeichnet.
2. Materialliefersystem: Das Materialabgabesystem speichert das gesamte Pulver. Während das Teil gebaut wird, versorgt dieser Mechanismus den Wiederbeschichter mit Material.
3. Beschichter: Der Beschichter zieht Material aus dem Pulverfördersystem und verteilt es auf dem Druckbett/vorhergehenden Schichten.
4. Druckbett: Das Druckbett bewegt sich beim Drucken des Teils nach unten, typischerweise zwischen 50 und 200 Mikrometer pro Schicht, abhängig von der erforderlichen Auflösung. Für jede neue Teilschicht wird vom Recoater eine dünne Kunststoffschicht auf das Druckbett gelegt.
5. Heizungen: Heizgeräte halten das Bauvolumen auf einer erhöhten Temperatur, um den Sinterprozess zu unterstützen, indem sie die Energie reduzieren, die der Laser zum Sintern des Pulvers benötigt.

SLS 3D-Druckdiagramm

Was sind die besten SLS-3D-Druckharze?

SLS verfügt über eine begrenzte Auswahl an 3D-Druckmaterialien; Die besten davon sind jedoch unten aufgeführt:

1. PA12 (Nylon): PA12 bietet eine gute Reihe mechanischer, thermischer und chemischer Beständigkeitseigenschaften und ist damit das ideale Material für eine Vielzahl von Anwendungen. PA12 ist das am häufigsten verwendete Material für den SLS-Druck.
2. PA12CF (Nylon): Mit Kohlenstoff gefülltes Nylon verbessert die Steifigkeit, Festigkeit und Härte des Basisnylons erheblich und kann die Herstellung von Hochleistungsteilen mit einem hervorragenden Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ermöglichen.
3. TPU-Elastomer: TPU-Elastomer ermöglicht die Herstellung flexibler Teile mit guter Abriebfestigkeit und Zähigkeit. 

Häufig gestellte Fragen zum SLS-3D-Druck

Wie wird SLS-3D-Druck in der medizinischen Industrie eingesetzt?

Der SLS-3D-Druck wird für passgenaue Prothesen auf Basis von 3D-Scans des Körpers eines Patienten eingesetzt. Der SLS-3D-Druck wird auch verwendet, um patientenspezifische Referenzmodelle auf Basis von 3D-Scans für die Planung chirurgischer Eingriffe zu erstellen.

Wie wird SLS-3D-Druck in der Schmuckindustrie eingesetzt?

Mithilfe des SLS-3D-Drucks werden hochdetaillierte Modelle erstellt, die mit anderen Methoden nicht möglich wären. Diese Modelle werden zur Herstellung von Gussformen verwendet. Insbesondere können Materialien wie Polystyrol gedruckt und zur Herstellung von Formen zum Gießen von Edelmetallen verwendet werden. 

Sind SLS-Drucker in der Lage, große, detaillierte Teile zu produzieren?

Ja, SLS-Drucker verfügen über ein großes Bauvolumen, das große Teile aufnehmen kann. Durch den Einsatz eines Präzisionslasers können dennoch feine Details in sehr große Teile eingearbeitet werden.

Was ist der Unterschied zwischen SLS und SLA?

SLS (selektives Lasersintern) nutzt einen Laser zum Sintern von Kunststoffpartikeln, während SLA (Stereolithographie) einen Laser zum selektiven Aushärten eines flüssigen Photopolymers verwendet. Mit beiden Technologien können sehr detaillierte Teile hergestellt werden, und ihre Druckgeschwindigkeiten sind vergleichbar. 

Zusammenfassung

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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