Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) 3D-Druck: Technologie-Übersicht

Dieser Artikel fasst alles zusammen, was Sie über Direktes Metall-Lasersintern wissen müssen: Wie das Verfahren funktioniert, welche Materialien kompatibel sind und welche Vorteile und Nachteile DMLS als 3D-Druckverfahren mit sich bringt.

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) gehört zu den Pulverbett-basierten 3D-Druckverfahren und ist mit Selektivem Lasersinter (SLS) eng verwandt. Bei DMLS kommt jedoch Metallpulver statt Kunststoffpulver zum Einsatz. So können Metallteile hergestellt werden, die sowohl als funktionsfähige Prototypen als auch als Serienteile Anwendung finden.

Das DMLS-Verfahren besitzt außerdem einige Gemeinsamkeiten mit selektivem Laserschmelzen (SLM), die beiden Prozesse unterscheiden sich jedoch hinsichtlich der Temperatur, die beim Schmelzen des Metallpulvers erreicht wird. Wie der Name bereits vermuten lässt, wird beim Selektiven Laserschmelzen das Metallpulver so weit aufgeheizt, bis es vollständig zu einer Flüssigkeit verschmilzt. Bei DMLS schmilzt das Metallpulver hingegen nicht, die Partikel werden nur so weit erhitzt, bis sich ihre Oberflächen miteinander verbinden (sintern). Beide Begriffe (SLM und DMLS) werden in der 3D-Druckindustrie jedoch oft synonym verwendet.

Wie funktioniert DMLS?

Das Verfahren des direkten Metall-Lasersintern besteht aus 6 Hauptschritten:

  • Schritt 1 – Das DMLS-Fertigungsverfahren beginnt mit dem sogenannten „Slicing“ der CAD-Datei. Hierbei wird das 3D-Modell in viele, extrem dünne Schichten aufgeteilt und für jede einzelne Schicht wird ein 2D-Modell erzeugt. 
  • Schritt 2 – Die Maschine verwendet einen Hochleistungslaser in einer mit Edelgas gefüllten Baukammer.  
  • Schritt 3 – Das Pulver wird aus dem Pulverzufuhrbehälter mit Hilfe einer Walze schichtweise auf der Bauplattform aufgetragen.
  • Schritt 4 – Sobald das Pulver auf der Bauplattform aufgebracht wurde, schreibt der Laser das aktuelle 2D-Modell auf die oberste Schicht. Das getroffene Pulver wird dabei zu einem Festkörper gesintert. Der Ablauf bestehend aus Pulveraufbringung und Lasersintern wird so lange wiederholt, bis das gesamte Teil fertiggestellt wurde.
  • Schritt 5 – Nach dem Abkühlen wird das übriggebliebene lockere Metallpulver vom Drucker entfernt. Die letzten Schritte bestehen aus dem Entfernen der Stützstrukturen und weiteren Nachbearbeitungsschritten.
  • Schritt 6 – DMLS-Teile können wie konventionell gefertigte Metallteile nachbearbeitet werden. Diese Nachbearbeitungsschritte können Bearbeitung, Hitzebehandlung und Oberflächenveredelung enthalten.

Materialien für den DMLS 3D-Druck

Zu den meistverwendeten DMLS-Materialien gehören bei Xometry:

  • Aluminium: z.B. AlSiMG
  • Stahl: z.B. Werkzeugstahl MS1, Edelstahl 17-4, Edelstahl 316L
  • Inconel: z.B. Inconel 718

Vorteile des Direkten Metall-Lasersintern

Die folgenden Faktoren lassen die DMLS-Technologie unter den anderen Fertigungsverfahren hervorstechen:

DMLS ermöglicht komplexe Designs

Einer der Hauptvorteile des DMLS ist die Möglichkeit, Teile anzufertigen, die sich mit traditionellen Fertigungsverfahren nicht oder nur sehr teuer herstellen lassen. Das ganze Potential des DMLS kommt zum Vorschein, wenn Ingenieure Teile mit hochkomplexen Geometrien, wie integrierte Verschlüsse, lange und enge Kanäle oder Gitterstrukturen entwerfen. DMLS erleichtert die Fertigung von Komplettbaugruppen und verringert so die Anzahl der Teile, die Montagedauer und die Ausfallquote, indem es mehrere Teile in einer einzigen Konstruktion kombiniert.

3D printed part via DMLS
Mit DMLS gefertigter 3D-Druck

Kurze Durchlaufzeit

Traditionelle Fertigungsverfahren brauchen viel Vorlaufzeit, um die Werkzeuge vor der Fertigung mit Hilfe von Lehren und Vorrichtungen einzurichten. Im Gegensatz dazu kann das Teil mit DMLS direkt und ohne lange Einrichtung oder Werkzeugausstattung gedruckt werden. Daher lassen sich mit DMLS im Vergleich zur Fertigung mittels CNC-Zerspanung kürzere Vorlaufzeiten erreichen. Die Kombination aus kurzer Vorlaufzeit und effizienter Prototypenentwicklung verringert die Durchlaufzeit. Dies ist einer der größten Vorteile des DMLS.

DMLS verwendet leichte und langlebige Komponenten

Teile, die aus Superlegierungen wie Inconel 718, AlSi10Mg und Kobalt-Chrom hergestellt werden, sind bekannt dafür besonders leicht zu sein. Ein Beispiel hierfür sind die berühmten 3D-gedruckten Einspritzdüsen von GE für die LEAP-Motorenreihe. Diese Einspritzdüsen mussten zuvor aus 20 Einzelteilen von verschiedenen Zulieferern gefertigt und anschließend zusammengesetzt werden. Mit Direktem Metall-Lasersintern (DMLS) konnte diese Baugruppe durch ein einziges Bauteil ersetzt werden und gleichzeitig eine Gewichtsreduktion von 25% und eine fünfmal höhere Festigkeit erreicht werden.

DMLS führt zu weniger Materialausschuss

Das Metallpulver, das nicht von dem Laser getroffen wurde, kann anschließend recycelt und wiederverwendet werden. Das Pulver-Recycling führt zu geringeren Kosten. Im Vergleich mit traditionellen Fertigungsverfahren wie z.B. CNC-Zerspanung, bei der aufgrund der spanabhebenden Bearbeitung viel Materialausschuss in Form von Spänen erzeugt wird, die nicht ohne weiteres recycelt werden können, wird daher deutlich weniger Materialausschuss produziert.

Einschränkungen und Nachteile des DMLS

Neben den Vorteilen besitzt DMLS auch einige Einschränkungen und Besonderheiten, die es zu beachten gilt. Traditionelle Fertigungsverfahren wie die CNC-Zerspanung sind die größten Konkurrenten des DMLS.

DMLS benötigt Stützstrukturen

Da DMLS zu den Pulverbett-basierten Fertigungsverfahren gehört, sind auch hier Stützstrukturen unabdingbar. Diese müssen nach dem 3D-Druck durch Nachbearbeitungsverfahren entfernt werden. Während dieser Nachbearbeitung wird der 3D-Druck ähnlich behandelt, wie ein mit traditionell gefertigtes Metallteil. Das mit DMLS gefertigte Teil ist also nicht direkt einsatzbereit, sondern muss anschließend noch bearbeitet werden.

DMLS-Teile besitzen eine raue, körnige Oberfläche

DMLS gedruckte Oberflächen sind nicht so glatt wie Oberflächen, die mittels CNC-Bearbeitung gefertigt wurden. Außerdem lassen sich gewünschte Oberflächenstrukturen nicht so leicht erzeugen. Wenn weitere Nachbearbeitungsschritte zur Erhöhung der Oberflächengüte und Verbesserung der Ästhetik notwendig sind, steigen auch die Kosten entsprechend.

Grainy structure of DMLS
Raue Oberflächenstruktur durch DMLS

Kostenintensive Serienproduktion mit DMLS

Die Serienproduktion ist in vielen verschiedenen Industrien immer noch ein ausschlaggebender Faktor bei der Auswahl des Fertigungsverfahrens. Hier hinkt DMLS den traditionellen Fertigungsverfahren hinterher und kann mit der Geschwindigkeit traditioneller Fertigungsstraßen nicht mithalten. Daher eignet sich DMLS vor allem für Einzelstücke und Kleinserien.

Begrenzte Materialauswahl

Beim Metall 3D-Druck ist die Materialauswahl generell kleiner. Das kann durchaus der entscheidende Faktor sein, wenn bestimmte Materialien für das gewünschte Bauteil erforderlich sind. Diese Einschränkung sollte bei der Wahl der technischen Eigenschaften, die das Produkt am Ende aufweisen soll, beachtet werden.

Begrenztes Bauvolumen

Bei großen Teilen ist CNC-Zerspanung immer die bessere Wahl. Die empfohlene Standardgröße reicht bei DMLS bis 250 x 250 x 325 mm und bei CNC-Bearbeitung bis 2000 x 800 x 1000 mm. Dieser Vergleich verdeutlicht die  Einschränkung der erreichbaren Maximalabmessungen aufgrund der limitierenden Größe des Pulverbetts.

Schrumpfung und eingeschränkte Wiederholbarkeit

Aufgrund des natürlich auftretenden Schrumpfungsprozesses lassen sich mit DMLS nur mit großem Aufwand identische Teile herstellen. So weicht das erste gedruckte Teil vom zehnten gedruckten Teil in vertikaler Richtung (z-Richtung) mindestens um 2% ab. Diese Abweichungen sind das Ergebnis aus 3 kombinierten Ursachen: Thermische Schrumpfung, Sinter-Schrumpfung und Ausdehnung, da die Metallpartikel während des Sintern fallen.

DMLS, AlSi10Mg, wie gedruckt

DMLS, AlSi10Mg, wie gedruckt

DMLS, AlSi10Mg, wie gedruckt

ometry DMLS 3D-Druck-Service

Xometry Europe bietet DMLS Service online und On-Demand für 3D-Druckprojekte an. Mit einem Netzwerk aus mehr als 2.000 Partnern in ganz Europa ist Xometry in der Lage DMLS 3D-Druckteile in 3-5 Tagen zu liefern. Laden Sie Ihre CAD-Dateien auf unserer Plattform für Sofortangebote hoch, um sofort ein Angebot mit verschiedenen Fertigungsoptionen für Ihren DMLS 3D-Druck zu erhalten.

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