LPBF (Laserschmelzen): Wir erklären Ihnen das 3D-Druckverfahren

In den 90er Jahren begannen mehrere Unternehmen mit der Erforschung der Powder-Bed-Fusion-Technologie (PBF), bei der Metallpulverpartikel mit einer Wärmequelle – einem Laser- oder Elektronenstrahl – zu einem mehr oder weniger komplexen Teil geschmolzen werden. Heute konzentrieren wir uns auf die additive Fertigung durch das sogenannte Laserschmelzen (Laser Powder Bed Fusion), das wie der Name schon sagt, einen Laser verwendet.

1994 patentierte EOS sein DMLS-Verfahren (Direct Metal Laser Sintering), während das Fraunhofer-Institut 1995 den Begriff SLM für Selective Laser Melting einführte. Es scheint, dass die beiden Prozesse ähnlich sind und dass die Familie der Laserschmelzung erhalten bleibt, um Verwirrung zu vermeiden – SLM ist heute eine deutsche Marke für industrielle 3D-Drucker. Wenn der Begriff DMLS das Sintern wie in SLS (Selektives Lasersintern) mit seinem Namen impliziert, ist es wichtig zu verstehen, dass 3D-Metalldruckverfahren heute durch Schmelzen und nicht durch Sintern funktionieren.

Der Unterschied zwischen Sintern und Schmelzen ist ganz einfach: Beim Schmelzen geht man aufgrund einer hohen Temperatur von einem festen in einen flüssigen Zustand über; beim Sintern kann das Metall nicht schmelzen, weil die verwendete Temperatur nicht hoch genug ist. Dadurch werden die Metallpartikel agglomeriert und hinterlassen einen Hohlraum und damit Löcher. Um Ihnen ein ziemlich klares Bild zu machen, ist es wie beim Stapeln von Äpfeln: Es wird immer eine Lücke zwischen zwei Früchten geben. Die 3D-Druckteile weisen daher eine geringe mechanische Festigkeit auf, im Gegensatz zum Schmelzen, bei der die Flüssigkeit diese Löcher füllt.

Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

Wie funktioniert das Laserschmelzen?

Wie jede 3D-Drucktechnik beginnt die Konstruktion eines Teils mit der Erstellung des 3D-Modells mit Hilfe einer CAD-Software. Das Teil wird dann mit einem Slicer in eine Vielzahl von Schichten geschnitten – in unserem Fall variiert die Dicke einer Schicht in der Regel zwischen 20 und 60 Mikrometern.

Um den Druckprozess zu starten, füllt der 3D-Drucker seine Kammer mit einem Schutzgas und erwärmt es dann auf die optimale Drucktemperatur. Anschließend wird eine dünne Pulverschicht auf die Baufläche aufgetragen, entsprechend der zuvor von der Maschinensoftware definierten Höhe. Der Glasfaserlaser (200/400 W) scannt dann den Querschnitt des Bauteils und verschmilzt die Metallpartikel. Wenn die Schicht fertig ist, geht die Schale nach unten und eine weitere Schicht Pulver wird hinzugefügt. Der Prozess wird wiederholt, bis das letzte Teil fertig konstruiert ist.

Der 3D-Drucker muss dann abkühlen und das ungeschmolzene Pulver muss von der Baufläche entfernt werden. Um das bedruckte Teil zu sehen wird es normalerweise abgesaugt. Das Teil wird auf der Platte befestigt, in der Regel über zusätzlichen Support (unterstützende Strukturen – ebenfalls gedruckt); im Gegensatz zur SLS-Technologie werden diese Materialien empfohlen, da sie die bei hohen Verarbeitungstemperaturen beobachteten Verzugs- und Verzugserscheinungen reduzieren. Sie werden im Allgemeinen durch Schneid- oder Bearbeitungsverfahren oder durch Draht-Elektroerosion entfernt. Die Teile können wärmebehandelt werden, um Eigenspannungen zu reduzieren und ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Auf der zusätzlichen Nachbehandlungsseite können wir uns CNC-Bearbeitungsschritte, aber auch einen Polierprozess vorstellen, um eine bessere Oberflächenqualität zu bieten.

Materialien und Anwendungen

Wie Sie verstanden haben, verwendet das Laserschmelzen metallische Pulver, um mehr oder weniger komplexe Teile zu konstruieren. Metallische und legierte Materialien wie Edelstahl, Kobalt-Chrom, Aluminium, Titan und Inconel sind am häufigsten zu finden. Einige Edelmetalle (Gold, Platin, Silber) können verwendet werden, aber fast ausschließlich im Schmuckbereich. Die Festigkeit der erhaltenen Teile ist heute vergleichbar mit der Festigkeit, die durch Gießen oder Zerspanen erreicht wird. Das Laserschmelzen ist eine der wenigen additiven Fertigungstechnologien, die in der Produktion eingesetzt werden.

Die Bereiche Luftfahrt, Automobil und Medizin (insbesondere Dentalmedizin) sind von dieser Technologie sehr angetan. Sie bietet eine geometrische Komplexität, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht zu erreichen ist, bei gleichzeitiger Reduzierung des Endgewichts und der Anzahl der zu montierenden Komponenten durch Techniken wie der Topologie-Optimierung. Dies führt zu kürzeren Produktionszeiten und sehr widerstandsfähigen Sonderteilen. Es sollte jedoch bedacht werden, dass 3D-Drucker und Metallpulver teuer sind und die Herstellung sehr großer Teile aktuell noch nicht erlauben.

Quelle: Daimler AG (Mercedes-Benz)

Hauptakteure

Einer der Technologiepioniere ist die deutsche Firma EOS mit ihrer EOS M-Baureihe, die eine komplette Produktionslösung für jedes Industrieunternehmen bietet. Im Jahr 2013 kam 3D Systems dazu – nach der Übernahme des französischen Unternehmens Phenix Systems, das sich auf die Entwicklung von DMLS-Maschinen spezialisiert hat. Wenn wir bei Frankreich bleiben, können wir AddUp und sein FormUp 350 erwähnen. GE Additive bietet außerdem dank der 3D Concept Laserdrucker mit der X Line 2000R (800 x 400 x 500 mm) eines der größten Volumen an 3D-Metalldrucken.

Natürlich werden die deutsche Firma SLM Solutions, aber auch Trumpf und die italienische Firma Sisma eine große Rolle spielen. AuchRenishaw ist in diesem Markt ein wichtiger Akteur.

Bildquelle Titelbild: DMG Mori

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