Selektives Lasersintern (SLS) 3D-Druck: Technologieübersicht

Dieser Artikel fasst alles zusammen, was Sie über den SLS-3D-Druck wissen müssen: Wie das selektive Lasersinterverfahren funktioniert, welche Materialien kompatibel sind sowie die Vorteile und Grenzen von SLS als 3D-Drucktechnologie.

Selektives Lasersintern (SLS) ist eine additive Fertigungstechnologie, die viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungstechniken bietet, z. B. die Möglichkeit, komplexe Formen mit Leichtigkeit zu erstellen, Abfall zu reduzieren und Produktionszeiten zu verkürzen. Diese Technologie hat Anwendungsbereiche in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Gesundheitswesen gefunden, in denen Präzision und Anpassbarkeit unerlässlich sind.

Was ist SLS-3D-Druck?

Selektives Lasersintern gehört zur Kategorie der Pulverbettschmelzverfahren (PBF). Beim SLS-Druck wird ein Hochleistungslaser verwendet, um kleine Polymerpulverpartikel auf der Grundlage eines 3D-CAD-Modells zu einem Produkt zu verschweißen. Die hohe Auflösung, die hohe Produktivität und die einfache Verfügbarkeit von Materialien machen die SLS-Technologie ideal für eine ganze Reihe von Anwendungen, vom Rapid Prototyping bis hin zu Teilen für die Endanwendung mit komplexen Geometrien.

Wie funktioniert der SLS-3D-Druck?

Das selektive Lasersinterverfahren beinhaltet das Verschmelzen von Materialpulverschichten (typischerweise ~ 0,1 mm dick), die mit einer gegenläufigen Nivellierwalze gleichmäßig über den Konstruktionsbereich verteilt werden. Der Konstruktionsprozess findet in einer geschlossenen, mit Stickstoffgas gefüllten Kammer (oder einem beliebigen Inertgas) statt, um die Oxidation und den Abbau des Pulvers zu minimieren.

Schritt 1 – Erhitzen des Pulvers

Das Pulver wird auf dem Druckbett vorerhitzt und mit Hilfe von über dem Druckbett angebrachten Infrarotstrahlern auf einer Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts und/oder der Glasübergangstemperatur gehalten.

Schritt 2 – Fertigung des SLS 3D-Druckteils bei hohen Temperaturen

  • Sobald sich eine dünne Pulverschicht gebildet hat und diese erwärmt wurde, wird ein fokussierter CO2 Laserstrahl auf das Pulverbett gerichtet und mit Hilfe von Galvanometern so gesteuert, dass er das Material thermisch verschmilzt und den Querschnitt auf Grundlage des CAD Designs schichtweise aufbaut. Die Schichtdicken werden hierbei durch eine sogenannte Slicing Software festgelegt.
  • Das Pulver in der Umgebung des Teils verbleibt dabei lose und unterstützt die nächsten Schichten. Daher werden keine zusätzlichen Stützstrukturen benötigt.
  • Sobald eine Schicht fertiggestellt wurde, wird die Bauplattform um die gewünschte Schichtdicke (Slicing) abgesenkt. Anschließend wird eine neue Pulverschicht aufgebracht und mit Hilfe der gegenläufigen Walze geebnet.
  • Der CO2-Laserstrahl fährt dann den Querschnitt der nächsten Schicht ab. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das gesamte Bauteil erzeugt wurde.

Schritt 3 – Abkühlung und Nachbearbeitung

Im letzten Schritt werden die gefertigten Teile vom Pulverbett genommen und unverbrauchtes Pulver entfernt. Bei Bedarf werden anschließend Nachbearbeitungs- und Veredelungsverfahren (Färben, Lackieren, Sandstrahlen, Lebensmitteltaugliche Nachbearbeitung) durchgeführt.

Materialien für den SLS-3D-Druck

Das selektive Lasersinterverfahren kann eine breite Palette von thermoplastischen Pulvern verwenden. Die am häufigsten verwendeten thermoplastischen Pulver für SLS umfassen Polyamid (Nylon), Polypropylen und thermoplastische Elastomere (TPEs). Die SLS-Materialien können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: 

  • Starre Materialien: PA 12 (normal, glasgefüllt, schwer entflammbar, lebensmittelecht, mit Aluminium gefüllt), PA 11 (normal, lebensmittelecht) und Polypropylen (PP)
  • Flexible Materialien: Elastisches TPU

Nylon PA12 ist eines der beliebtesten 3D-Druckmaterialien. Dieses Kunststoffmaterial besitzt gute mechanische Eigenschaften wie Zähigkeit, Zugfestigkeit und Schlagfestigkeit und gilt daher als Referenzmaterial beim Selektiven Lasersintern.

SLS Flex TPU

SLS Nylon PA 12 medien getrommelt

SLS Alumide® / Nylon 12 (PA 12) gefüllt mit Aluminium

SLS Nylon 12 flammhemmend / PA 2241 FR

Vorteile des Selektiven Lasersinterns als 3D-Druckverfahren

SLS ist eines der zuverlässigsten, genausten und schnellsten Verfahren zur Prototypenfertigung, Kleinserienproduktion und für industrietaugliche Anwendungen. Selektives Lasersintern bietet eine Reihe von Vorteilen, die es zu einem einzigartigen Verfahren machen.

SLS 3D-Druck benötigt keine Stützstrukturen

Da Selektives Lasersintern als Druckverfahren Pulverbett-basiert arbeitet, sind Stützstrukturen nicht notwendig und müssen bei der Konstruktion nicht berücksichtigt werden. Da alle Freiräume während des Drucks mit lockerem, unverbrauchtem Pulver ausgefüllt werden, sind SLS-Druckteile selbsttragend.

Entwürfe mit Hohlräumen, Überhängen und sehr dünnen Strukturen, die normalerweise zusätzlich gestützt werden müssen, stellen beim Selektiven Lasersintern kein Problem dar. So bietet SLS den Produktentwicklern viele Konstruktionsfreiheiten.

Teile mit komplexen internen Komponenten und Kanälen können ohne Beeinträchtigung des Designs gefertigt werden, da es keine Komplikationen durch Stützstrukturen gibt. SLS kann für den Druck komplexer Bauteile die beste Wahl sein, da bei anderen Verfahren, wie z.B. FDM, häufig stattdessen mehrere Teile gefertigt werden müssen.

SLS part with an overhang
SLS-Teil mit Überhängen, die keine Stützstrukturen benötigen

SLS ist ein schnelles 3D-Druckverfahren

Da die eingesetzten Kunststoffpulversorten dem Laser nur sehr kurz ausgesetzt werden müssen, um zu verschmelzen, gehört SLS zu den schnellsten 3D-Druckverfahren. Außerdem sollte die Auflösung des Drucks bei der Angabe von Druckgeschwindigkeiten berücksichtigt werden.

So können FDM-Drucker ebenfalls hohe Druckgeschwindigkeiten erreichen, wenn dafür hohe Schichtdicken und eine niedrige Auflösung in Kauf genommen wird. Beim Selektiven Lasersintern muss man diesen Kompromiss hinsichtlich der Auflösung für höhere Druckgeschwindigkeiten dagegen nicht eingehen.

SLS-Teile eignen sich ideal zum Färben und Lackieren

Da SLS-Teile generell eine poröse Oberfläche aufweisen, bieten Sie eine ausgezeichnete Grundlage zum Färben. Außerdem ist das Eintauchen in ein erhitztes Farbbad äußerst effektiv. Aufgrund der porösen Oberfläche kann die Farbe auch effizient anhaften.

SLS Nylon PA 12 grün färben

SLS Nylon PA 12 rot färbend

SLS Nylon PA 12 gelb färbend

SLS erzeugt hervorragende mechanische Eigenschaften

Im Vergleich mit alternativen Verfahren wie FDM besitzen SLS-gefertigte Teile eine sehr hohe Schichthaftung. SLS-Teile weisen daher isotrope Eigenschaften auf. Das bedeutet, dass die Zugfestigkeit, mechanische Härte und Streckdehnung der SLS-gefertigten Teile in alle Richtungen (3 Achsen) nahezu identisch ist.

Aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften kommen SLS-gefertigte Teile häufig als Alternative zu typischen Spritzguss-gefertigten Kunststoffteilen zum Einsatz. SLS-gefertigte Teile weisen außerdem eine gute chemische Beständigkeit auf (z.B. Nylon PA 12).

Nachteile des Selektiven Lasersinterns als 3D-Druckverfahren

Neben den Vorteilen gibt es beim SLS-Verfahren auch einige typische Nachteile.

SLS-Teile sind porös und besitzen eine spröde Struktur

Obwohl SLS-Drucke eine gute Zugfestigkeit besitzen, sind sie deutlich weniger flexibel und Versagen bei Verformung früher. Die Porosität, die SLS-Teile hervorragend zum Färben macht, beeinträchtigt gleichzeitig die strukturelle Festigkeit. Daher eignen sich SLS-Drucke vor allem für Prototypen und werden nicht als funktionelle Teile empfohlen.

SLS-Drucke besitzen eine hohe Schrumpfungsrate

Aufgrund der Funktionsweise des Selektiven Lasersinterns muss das Pulver erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden, damit es verschmelzen kann. Sobald es wieder abkühlt, fängt es an sich zusammenzuziehen bzw. zu schrumpfen, was zu einem maßungenauen Bauteil führen kann. Die Schrumpfungsrate ist mit bis zu 3% oder 4% höher als bei alternativen Fertigungsverfahren.

Dies muss in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden und das Volumen des Modells muss entsprechend angepasst werden. Durch Schrumpfung entstehen außerdem Spannungen, die sich an scharfen Kanten und Ecken anstauen können, was zu Verzug oder Verformung führen kann.

Erhöhter Materialverbrauch

Das Pulver innerhalb der Fertigungskammer muss vorgeheizt werden, damit es schon bei geringer Bestrahlung mit dem Laser verschmilzt. Eine erhöhte Temperatur in der Umgebung des Teils kann zur Verschmelzung loser Pulverpartikel führen, die zu einer Beeinträchtigung der Pulverqualität führen. Da bei jedem Druck ein Teil des Pulvers unverbraucht zurückbleibt, sammelt sich unweigerlich unverbrauchtes Nylon-Pulver an, das entsorgt werden muss.

Aufgrund dieser Tatsache allein erzeugt Selektives Lasersintern bereits mehr Materialabfall als MJF-Druckverfahren, die das Pulver nicht vorerhitzen. Außerdem stellt loses Nylonpulver eine Gefahr für die Atemwege dar, gegen die man sich schützen muss.

SLS 3D printed cup

Xometry SLS 3D-Druck-Service

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