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Selektives Laserschmelzen 3D-Druck-Verfahren vorgestellt

| Autor / Redakteur: Christoph Erbe* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Vom Namen her sind die meisten Verfahren zur additiven Fertigung mit Metall und Kunststoff bekannt. Doch wie funktionieren sie? Was sind ihre Stärken, was ihre Schwächen? Was ist beim Bauteildesign zu beachten? Und für welche Anwendungen sind sie geeignet? 3D-Druck-Spezialist Materialise gibt einen Überblick. Teil 3: Selektives Laserschmelzen (SLM)

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Blick in den Bauraum einer SLM-Maschine: Beim Selektiven Laserschmelzen erhitzen und verschmelzen Laserstrahlen ausgewählte Teile der oberen Schicht eines Metallpulvers mit darunter liegenden, bereits festen Bereichen.
Blick in den Bauraum einer SLM-Maschine: Beim Selektiven Laserschmelzen erhitzen und verschmelzen Laserstrahlen ausgewählte Teile der oberen Schicht eines Metallpulvers mit darunter liegenden, bereits festen Bereichen.
(Bild: Materialise)

Selective Laser Melting (SLM), auch Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder Laser Powder Bed Fusion (LPBF) genannt, ist das heute gängigste Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen aus Metall. Die Technologie wurde bereits 1995 vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelt. Bei dem Verfahren erhitzen und verschmelzen Laserstrahlen ausgewählte Teile der oberen Schicht eines Metallpulvers mit darunter liegenden, bereits festen Bereichen. Ist eine Schicht fertig, wird das Metallpulverbett um eine Schichtbreite abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen. Anschließend verschmilzt der Laser wieder die Metallpartikelpulver. Durch die laufende Wiederholung dieser Schritte entsteht Schicht für Schicht das Bauteil mit seinen Stützstrukturen (Supports).

Die Supports sind beim SLM von großer Bedeutung, da sie nicht nur das Bauteil an seiner Position halten, sondern auch interne Spannungen absorbieren, die Wärme ableiten und so Verformungen und andere Baufehler verhindern.

Das fertige Bauteil wird anschließend aus dem Pulverbett genommen und das überflüssige Pulver entfernt. In der Regel folgt eine Wärmebehandlung, um Eigenspannungen im Bauteil zu reduzieren. Danach werden die Stützstrukturen entfernt.

Eigenschaften und Anwendungsfelder

Die Stärken von SLM liegen in der Kombination aus der Designfreiheit des 3D-Drucks mit den Materialeigenschaften der verschiedenen verwendbaren Metalle. Die Technologie ermöglicht es, hochkomplexe Geometrien in einem einzigen Bauteil umzusetzen. So können unter anderem Leichtbaustrukturen entstehen, die nicht nur beim Autobau und in der Luft- und Raumfahrt große Vorteile mit sich bringen, sondern auch bei allen anderen Anwendungen, in denen Teile häufig beschleunigt und abgebremst werden – etwa bei Drehmaschinen oder Robotern.

Darüber hinaus ermöglicht die Technologie zum Beispiel die Schaffung von konturnahen Kanälen im Inneren von Bauteilen, die für eine effizientes, gleichmäßiges Erwärmen oder Abkühlen sorgen. Auch die Integration von Funktionen ist mit SLM möglich: Baugruppen, die bisher aus verschiedenen konventionell hergestellten Bauteilen bestanden, lassen sich damit teilweise in einem Stück fertigen, was spätere Montageschritte spart und zu geringerem Platzbedarf und besseren Eigenschaften führen kann. Mit der Optimierung der Bauteileigenschaften sind oft auch sinkende Total-Costs-of-Ownership (TCO) verbunden.

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Die Eigenschaften der Bauteile variieren abhängig zum einen von den verwendeten Materialien, zum anderen von den Fertigungsparametern auf der Maschine. Die Schichten können meist 0,03 bis 0,1 mm stark sein, die Mindestwandstärke beträgt 0,5 beziehungsweise 1 mm. Die Abmessungen der Bauteile sind im Prinzip unbegrenzt, da Komponenten aus verschiedenen Unterabschnitten bestehen können. Unbearbeitete Bauteile haben normalerweise eine raue Oberflächenbeschaffenheit, aber mit verschiedenen Nachbearbeitungsgraden lassen sich glatte Oberflächen erzielen. Zu den Nachbearbeitungsschritten zählt auch das Entfernen der Stützstrukturen. Darüber hinaus ist es möglich, mittels Korundstrahlung, Glasperlenstrahlung oder Elektropolieren eine matte, leicht glänzende oder reflektierende Oberfläche zu schaffen. Ebenso lassen sich Bauteile nach dem Druck befräsen, um hohe Güte und Passgenauigkeit von Funktionsflächen herzustellen. Um kosteneffizienter Fertigen zu können, kann es sich lohnen, auf der Maschine anwendungsspezifische Parameter auszuwählen oder zu entwickeln.

Eine ideale Anwendung für SLM ist oft das Prototyping. Insbesondere bieten sich hier Teile an, für die normalerweise zunächst Gussformen oder individuelle Werkzeuge angefertigt werden müssten, oder aber Blechkonstruktionen, die aufwändige Stanz-Biegeformen erfordern. Zu den geeigneten Prototypen zählen auch komplexe, zu fräsende Bauteile, die aufwändige Programmierung sowie ein mehrfaches Wechseln der Werkzeuge und der Einspannung des Bearbeitungsobjekts erfordern.

Darüber hinaus kann eine SLM-Fertigung bei vielen anderen Bauteilen sinnvoll sein, vor allem wenn diese einzeln oder in Kleinserien benötigt werden. Dazu zählen unter anderem Produktionswerkzeuge, Gussformen und Einsätze, aber auch Ersatzteile. Robuste Gehäuse, Luftleitungen sowie Wärmetauscher und Kühlkörper sind Beispiele für Endprodukte, bei denen sich das SLM-Verfahren schon oft bewährt hat.

Materialien

Typische Materialien für das SLM sind die Aluminiumlegierung AISi10Mg, die Titanlegierung Ti6Al4V, der Edelstahl SS316L sowie auch Inconel 718.

Die Aluminiumlegierung AISi10Mg ist eine der wichtigsten aushärtbaren AISi-Gusslegierungen und vereint gute thermische Eigenschaften mit niedrigem Gewicht. Dazu ist das Material hervorragend korrosionsbeständig und lässt sich flexibel nachbearbeiten. Weiterhin zeichnet sich die Legierung durch gute Festigkeit und Härte sowie hohe dynamische Belastbarkeit aus, weswegen sie auch bei hochbelasteten Bauteilen Anwendung zum Einsatz kommt.

Ti6Al4V ist die mit Abstand meistverwendete Titanlegierung, da sie ein gutes Verhältnis zwischen hoher Festigkeit – vergleichbar der von Stahl – und geringer Dichte bietet. Das Material besitzt zudem eine bemerkenswerte Beständigkeit gegen Säuren, Mischsäuren, Chloridlösungen, Salzwasser und anderen korrosiven Medien. Ebenso ist der Werkstoff biokompatibel.

Das Material SS316L ist eine Edelstahllegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die hochgradig korrosionsbeständig ist und ausgezeichnete Stärke aufweist. Das Material besitzt zudem eine hohe Leitfähigkeit und gute Wärmeeigenschaften und bietet nach der SLM-Fertigung ein homogenes, fast porenfreies Gefüge.

Inconel 718 zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Wärmebeständigkeit bis zu 700 °C sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion aus. Hinzu kommt eine exzellente Festigkeit mit hohen Dehn-, Zugfestigkeits- und Kriechbrucheigenschaften. 3D-gedrucktes Inconel behält seine Festigkeit über einen weiten Temperaturbereich hinweg bei.

Designtipps

Durch das schichtweise Aufschmelzen des Metallpulvers und die anschließende Abkühlung und Verfestigung kommt es zu thermisch induzierten Spannungen. Um Baufehler beziehungsweise ein Verziehen des Bauteils zu vermeiden, sollten beim Konstruieren deshalb unbedingt die prozessspezifischen Einschränkungen berücksichtigt werden. Dazu zählt, das Ecken ab- und verrundet werden sollten. Auch spitze Ecken und größere Materialansammlungen gilt es zu vermeiden.

Darüber hinaus sind in dem Zusammenhang auch die Stützstrukturen von besonderer Bedeutung. Wände oder Überhänge mit Winkeln, die in Bezug auf die Bauplattform kleiner sind als 45°, sind in der Regel mit Supports zu versehen. Um die Nachbearbeitung zu vereinfachen, ist dabei sinnvoll, die Kontaktfläche zwischen einer Supportstrebe und dem Bauteil zu minimieren. Dadurch lassen sich nicht nur die Stützstrukturen, sondern auch ihre Reste auf der Bauteiloberfläche leichter entfernen.

Auch wenn die Mindestwandstärke bei der SLM-Fertigung generell nur 0,5 beziehungsweise 1 mm beträgt, ist es meist sinnvoll, bei der Erstellung von strukturellen Wänden und Elementen mit einer Stärke von 2 mm zu arbeiten. Grund dafür ist, dass unter anderem Geometrie und Größe des Bauteils eine dickere Wand erforderlich machen können.

30 Jahre Erfahrung

Materialise hat drei Jahrzehnte Erfahrungen mit allen wichtigen additiven Fertigungsverfahren aufgebaut. Zum einen druckt das Unternehmen in acht unterschiedlichen Technologien auf über 200 3D-Druckern. Zum anderen ist Materialise führender Anbieter von 3D-Druck-Software, die in enger Zusammenarbeit mit allen großen Maschinenherstellern und unter Einbezug der eigenen Fertigungserfahrungen entwickelt und laufend optimiert wird.

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Überhängende Flächen, die im Verhältnis zur Bauplattform einen Winkel von weniger als 45° aufweisen, neigen zu einer schlechteren, Winkel von mehr als 45° zu einer besseren Oberflächenqualität. Daraus ergibt sich die Empfehlung, dass eine Fläche, die eine möglichst gute Oberflächenqualität aufweisen soll, möglichst steil im Bauraum angeordnet werden sollte, um den Nachbearbeitungsaufwand zu reduzieren. Im Optimalfall wird das Bauteil so konstruiert, dass keine bis wenige Supports nötig sind.

Beim Erstellen eines Hohlmodells ist es wichtig, dass das Design mindestens ein Loch enthält, um das nicht verwendete, im Hohlkörper eingeschlossene Pulver entfernen zu können. Empfehlenswert ist eine Mindestwandstärke von 1 mm sowie eine Öffnung mit mindestens 3 mm Durchmesser. Große oder komplexe Hohlkörper erfordern mehrere Löcher mit einem zum Teil deutlich größeren Durchmesser. Am besten wird das Loch in der Mitte des Hohlmodells platziert.

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* Christoph Erbe, Team Lead Project Management, Materialise Manufacturing Deutschland

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