3D-Basics 3D-Druck mit dem Laser-Sinterverfahren – wie SLS und Co. funktionieren

Autor / Redakteur: Anne Gruska und Kevin Popp* / Stefan Guggenberger

Laser-Sintern, zum Beispiel mit dem Selektiven-Lasersintern (SLS), gehört zu den verbreitetsten Technologien der additiven Fertigung. Wie SLS und Co. funktionieren, welche Vor- und Nachteile bestehen und welche Anwendungen es in der Praxis gibt.

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Lasergesinterte Bauteile ,wie dieses per SLS-Verfahren hergestellte Metallteil, werden in der Industrie häufig für Kleinserien 3D-gedruckt.
Lasergesinterte Bauteile ,wie dieses per SLS-Verfahren hergestellte Metallteil, werden in der Industrie häufig für Kleinserien 3D-gedruckt.
(Bild: EOS)

Wer hätte gedacht, dass die goldenen 1980er Jahre die Wiege des heutigen 3D-Drucks waren?! Neben zahlreichen Verfahren wie zum Beispiel dem Fused Layer Modeling (FLM) oder der Stereolithografie (SLA) hat es auch das Selektive Lasersintern (SLS) mit der ersten Patentanmeldung 1987 noch in die für die additive Fertigung ereignisreiche und wegweisende Dekade geschafft.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Laser-Stinterverfahrens anhand des Modells Formiga P110 der Firma EOS GmbH
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Laser-Stinterverfahrens anhand des Modells Formiga P110 der Firma EOS GmbH
(Bild: SKZ)

Der Amerikaner Carl R. Deckard entwickelte das Verfahren im Rahmen seiner Master- und Doktorarbeit an der University of Texas, patentierte es im Jahr 1987 und gründete die Desk Top Manufacturing Corp., welche 2001 von 3D Systems für 45 Mio. Dollar übernommen wurde. Etwa zeitgleich gründete der Deutsche Hans Langer die EOS GmbH, die heute neben 3D Systems eines der beiden führenden Unternehmen auf dem SLS-Markt ist. Offiziell ist der Begriff des Selektiven Lasersinterns von 3D Systems geschützt. Der allgemein gültige Begriff für das Verfahren unabhängig vom Anlagenhersteller ist daher nur Laser-Sinterverfahren (LS).

Wie funktioniert Laser-Sintern?

Bei dem Verfahren werden dreidimensionale Modelle aus einem pulverförmigen Thermoplast durch Aufschmelzen mit Hilfe eines Lasers additiv, Schicht für Schicht, gefertigt. In Abbildung 1 ist der LS-Prozess anhand des Systems Formiga P110 der Firma EOS GmbH schematisch dargestellt.

Der 3D-Druck beim Laser-Sintern besteht aus drei grundlegenden Schritten:

  • Aufheizvorgang,
  • Bauprozess,
  • und Abkühlvorgang.

Aufheizvorgang: Beim Aufheizen wird die Baukammer beispielsweise mit einer Infrarot-Heizung auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts des zu verarbeitenden pulverförmigen Materials gebracht. Das Pulver wird dabei mit Hilfe eines Rakels oder einer Walze über eine Fläche verteilt und durch die Heizung gleichmäßig erwärmt.

Bauprozess: Im Bauprozess bringt ein Laser das zum Aufschmelzen notwendige Quäntchen Energie in das vorgewärmte Pulver ein und fährt dabei – analog zu den meisten anderen additiven Fertigungsverfahren – die Bauteilschichten Linie für Linie ab. Dies erfolgt unter Schutzgasatmosphäre zur Vermeidung von Materialoxidation. Nachfolgend senkt sich die Bauplattform um eine Schichtdicke (z. B. 0,1 mm) in Z-Richtung ab und die nächste Pulverschicht wird aufgetragen. Die vorangegangene Schicht härtet wegen der zuvor eingestellten Umgebungstemperaturen nicht sofort aus, sondern verbleibt in einem Zustand der unterkühlten Schmelze. Dies führt dazu, dass sich die einzelnen Schichten deutlich besser verbinden und Anisotropieeffekte, wie zum Beispiel eine reduzierte mechanische Belastbarkeit in Z-Richtung, beim Laser-Sintern deutlich weniger ausgeprägt sind als beim FLM (Fuesed Layer Modeling). Durch Wiederholung des Beschichtungs- und Aufschmelzvorgangs entstehen schließlich die im Bauraum verteilten Bauteile.

Abbildung 2: Lasergesintertes ‚Braingear‘ mit 5-Cent-Stück als Maßstab.
Abbildung 2: Lasergesintertes ‚Braingear‘ mit 5-Cent-Stück als Maßstab.
(Bild: SKZ)

Abkühlvorgang: Wegen der hohen Umgebungstemperaturen sind die im Pulverkuchen vorliegenden Modelle weich und instabil. Der Abkühlvorgang muss daher langsam und kontrolliert geschehen, um ihre Form zu bewahren, so dass das Abkühlen nicht selten genauso lange dauert wie der eigentliche Bauprozess. Bei dem Pulverkuchen handelt es sich um nicht versintertes Pulver, welches bei diesem Verfahren auch eine Stützfunktion übernimmt. Es ermöglicht somit die Herstellung von komplexen Modellen und vielen kleinen Bauteilen übereinander, was das Verfahren gerade auch für Kleinserien interessant macht. Gleichzeitig sind geschlossene Hohlräume bei der Bauteilkonstruktion zu vermeiden, da aus diesen das unversinterte Pulver (ohne Anbohren) nicht entfernt werden kann. In Abbildung 2 sind die Freiheitsgrade des Laser-Sinterns anhand eines komplexen, beweglichen Bauteils (‘Braingear‘) dargestellt. Dieses wurde an einem Stück gedruckt und durch Beachtung gewisser Konstruktionsregeln sind die zwölf Zahnrädchen auf der Halterung voll beweglich.

Abbildung 3: Lasergesinterte Kugelschreibergehäuse direkt nach der Fertigung (oben) und nach dem zusätzlichen Einfärben (unten).
Abbildung 3: Lasergesinterte Kugelschreibergehäuse direkt nach der Fertigung (oben) und nach dem zusätzlichen Einfärben (unten).
(Bild: SKZ)

Nach der Abkühlung können die Bauteile aus dem Pulverbett entnommen werden. Üblicherweise erfolgt beim Laser-Sintern noch eine Nachbearbeitung durch Abbürsten, Strahlen sowie gegebenenfalls nachgeschaltete Schritte zur Oberflächenbehandlung. So können die Teile mit ihrer durch das umgebende Pulver bedingten rauen Oberfläche noch geglättet werden. Auch eine Einfärbung der zumeist weißen Teile ist möglich.

Welche Materialien lassen sich beim LS verarbeiten?

Bislang sind überwiegend Polyamide (PA), im Speziellen PA12 und PA11 im Einsatz, da diese aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften weitverbreitet sind. Dieses liegt zwischen der Schmelz- und der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes. Daher eignen sich für Laser-Sinter-Verfahren besonders gut teilkristalline Thermoplaste, die das beschriebene thermische Verhalten mitbringen. Dennoch ist bisherkeine große Materialvielfalt beim LS vorhanden. Erst in den letzten Jahren kam hier Bewegung in den Markt. Im Bereich der Forschung laufen Untersuchungen zur Verarbeitung von POM, PBT oder PPS, während neben PA bereits TPU oder PP verfügbar sind.

Abbildung 4: REM-Aufnahmen eines gut (links) und eines schlecht rieselfähigen Pulvers (rechts).
Abbildung 4: REM-Aufnahmen eines gut (links) und eines schlecht rieselfähigen Pulvers (rechts).
(Bild: SKZ)

Die große Herausforderung zur Entwicklung weiterer Werkstoffe ist die Pulverherstellung. Neben der Korngrößenverteilung spielt die Form der einzelnen Partikel für den späteren Sinterprozess die entscheidende Rolle. Verfahrensbedingt ist eine extrem gute Rieselfähigkeit für einen stabilen Verarbeitungsprozess erforderlich. Die beiden Aufnahmen in Abbildung 4 unter dem Raster-Elektronen-Mikroskop zeigen deutlich die Unterschiede zwischen der Beschaffenheit eines gut rieselfähigen Pulvers und eines gemahlenen, schwer rieselnden Pulvers. Während des Beschichtungsvorgangs können die glatten, fast runden Partikel gut aneinander vorbeigleiten und eine ebene Fläche bilden, während die scharfkantigen Partikel sich ineinander verkanten und eine homogene Beschichtung erschweren.

Das unbelichtete Material wird während des Prozesses konstant beheizt und damit thermisch beansprucht, wodurch sich seine intrinsischen Eigenschaften und die geforderten Verarbeitungsbedingungen ändern. Dennoch kann es je nach Anlagenhersteller zu einem gewissen prozentualen Anteil wiederverwertet werden. Bei einer Formiga P110 von EOS und PA12 liegt die so genannte Auffrischrate bei 50/50 (Alt-/Neupulver). Dafür gibt es extra Mischstationen, die das Alt- und Neupulver homogenisieren und dadurch konstant verwendbare Verarbeitungsparameter ermöglichen.

Was sind die Vor- und Nachteile des Laser-Sinterns?

Nachteile des Laser-Sinterns:

  • Geringere Materialvielfalt
  • Teure Anlagen
  • Peripheriegeräte wie Strahlkammern und Staubsauger notwendig
  • Schutzausrüstung wie Staubmasken sind notwendig

Für das LS-Verfahren muss das zu druckende Polymer als Pulver mit sehr guten Rieseleigenschaften und passendem Temperaturprofil vorliegen, was die Materialauswahl gegenüber dem FLM einschränkt. Die Laser-Sinter-AnlagenSintern sind durch ihre Komplexität bedeutend teurer als die teilweise sehr erschwinglichen FLM-Anlagen. Zusätzlich sind auch Peripheriegeräte wie Strahlkammern und explosionsgeschützte Staubsauber notwendig. Wegen der Verwendung von feinkörnigem Pulver ist auch unbedingt die Arbeitssicherheit durch entsprechende Schutzausrüstungen wie Staubmasken zu gewährleisten. Beim LS ist zudem zu beachten, dass bei zunehmender Anforderung an die Genauigkeit sowie bei steigendem Volumen der Bauteile die Prozesszeiten erheblich ansteigen.

Vorteile des Laser-Sinterns:

  • Keine Stützstrukturen notwendig
  • Hohe Konstruktionsfreiheit
  • Hochpräzise Bauteile sind möglich
  • Für Kleinserien komplexer Teile geeignet

Die Vorteile des Verfahrens liegen darin, dass beliebige dreidimensionale Geometrien durch den Wegfall von notwendigen Stützstrukturen auch mit Hinterschneidungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen hergestellt werden können. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren insbesondere für die Herstellung von komplexen Teilen in kleinen Stückzahlen verwendet.

Was sind die Hauptanwendungen von Laser-Sintern?

Genau wie alle anderen ursprünglichen additiven Fertigungsverfahren hat LS seine Wurzeln im Rapid Prototyping. Dabei ging es vornehmlich um Anschauungsmuster oder Einbauproben , um die spätere Herstellung des Teils in einem Massenfertigungsverfahren, wie etwa dem Spritzgießen, vorzubereiten.

Abbildung 5: Eine lasergesinterte und nachbearbeitete Kopforthese für die Helmtherapie bei Kleinkindern.
Abbildung 5: Eine lasergesinterte und nachbearbeitete Kopforthese für die Helmtherapie bei Kleinkindern.
(Bild: SKZ)

Mit Polyamid als Hauptwerkstoff ist das Laser-Sintern vor allem für die Herstellung stabiler Komponenten im Ersatzteilgeschäft oder für Kleinserien von Sonderteilen mit hochkomplexer Struktur prädestiniert. Dabei können selbst immer wieder ähnliche Teile ohne großen Mehraufwand trotzdem personalisiert werden. Hier ist insbesondere die Verwendung in der Medizintechnik zu nennen, wo das Verfahren bereits für individuelle Orthesen, wie beispielhaft in Abbildung 5 dargestellt, genutzt wird. Die hier dargestellte Kopforthese dient der Behandlung von kindlichen Schädeldeformationen. Gegenüber den handelsüblichen tiefgezogenen Orthesen besticht das hier dargestellte Modell durch sein reduziertes Gewicht und seine Atmungsaktivität.

Neugierig geworden?

Das ist das SKZ:

Am SKZ – Das Kunststoffzentrum wurde 2011 das Kompetenzzentrum Center for Additive Production (CAP) ins Leben gerufen und verfügt mittlerweile neben anderen Verfahren über insgesamt 7 FLM-Drucker, darunter mehrere Eigenbauten. Es wird intensiv am Verfahren geforscht, um seine Möglichkeiten auszuloten. Hier gibt es beispielsweise spannende Projekte zu Themen wie der Mehrkomponentenverarbeitung, Materialmodifizierung und Qualitätssicherung im FLM.

Das interdisziplinäre Team bezieht gerne Unternehmen in seine Projekte mit ein, um aktuellen Fragestellungen der Industrie auf den Grund zu gehen. Auch private Anwender kommen nicht zu kurz: Das breite Weiterbildungsprogramm beleuchtet in seinen Lehrgängen wichtige Themen wie z.B. die 3D-Druck-spezifische konstruktive Auslegung der Modelle. Mehr erfahren Sie unter www.skz.de oder direkt bei den CAP-Mitarbeitern.


*Anne Gruska und Kevin Popp arbeiten bei der SKZ - KFE gGmbH

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