SLS (Selektives Lasersintern): Wir erklären Ihnen das 3D-Druckverfahren

Es existieren viele verschiedene 3D-Drucktechnologien, welche die unterschiedlichsten Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie sowie in vielen anderen Bereichen finden. Darunter befindet sich auch die Technologie Selektives Lasersintern. Doch wie funktioniert diese? Wir erklären es Ihnen!

Die Entwicklung dieser Technologie, besser bekannt unter ihrem englischen Namen ®SLS (selective laser sintering), begann bereits in den 80er Jahren. Dr. Carl Deckard und Dr. Joe Beaman von der University of Texas in Austin, USA, entwickelten die Grundlagen für Pulverbettfusionstechnologien (Powder Bed Fusion). Diese Technologien sind dazu in der Lage, verschiedene Materialien, von Polymeren bis hin zu Metallen, durch den Einsatz eines Lasers zu verarbeiten. Wenn wir uns speziell auf die SLS-Technologie beziehen, sprechen wir vor allem von Kunststoffploymeren, hauptsächlich Nylon. Jedoch hat sich dies in den letzten Jahren etwas verändert. Interessanter Fakt: 1979 erfand R. F. Householder einen ganz ähnlichen Prozess und ließ ihn auch patentieren, allerdings wurde dieser nie kommerzialisiert.

Die Entwicklung der neuen Pulverschmelztechnologien führten zur Gründung der DTM Corporation, welche heute Teil von 3D Systems ist. Es entstanden viele Unternehmen, welche sich auf Pulverschmelztechniken spezialisierten, darunter Farsoon Technologies.

Wie funktioniert Selektives Lasersintern bzw. SLS?

Selektives Lasersintern erlaubt das Drucken von funktionalen, dreidimensionalen Gegenständen, ohne dass dafür Bindemittel oder zusätzliche Montageschritte notwendig sind. Vor dem Druck muss das Objekt in digitaler Form dreidimensional erstellt werden, was mit Hilfe von CAD-Anwendungen möglich ist (z. B. CATIA, SolidWorks, ProEngineer). Die CAD-Dateien werden anschließend durch eine spezielle Slicing-Software in viele horizontale Ebenen zerlegt und schließlich an den Drucker geschickt.

Schicht für Schicht beginnt nun der Druck des Endproduktes, ausgehend von einem Puderbett, von dem einzelne, selektive Puderpartikel durch die hohen Temperaturen des CO²-Lasers miteinander verschmolzen werden.

Das oben zu sehende Schema veranschaulicht den Prozess: Zunächst wird ein Behälter mit dem puderförmigen Grundmaterial gefüllt, ein zweiter Behälter bleibt zu Beginn leer. Beide Gefäße verfügen über einen Kolben, der sich heben und senken kann, und in seiner Ausgangsposition bei dem vollen Gefäß komplett abgesenkt, bei dem leeren Gefäß mit dem Tisch eben ist. Um den Prozess zu starten und den 3D-SLS-Drucker vorzubereiten, werden der Pulverbehälter und der Konstruktionsbereich zunächst unter die Schmelztemperatur des Polymers erwärmt. Die erste Pulverschicht wird auf die Bauplattform aufgetragen und üblicherweise sorgt eine Walze für die Verlagerung des Materials (2).

Ein CO2-Laser scannt dann die Kontur der nächsten Schicht und sintert (fusioniert) die pulverförmigen Polymerteilchen selektiv. Der gesamte Querschnitt des Bauteils wird mit dem Laser abgetastet, sodass das Bauteil solide konstruiert ist (3). Sobald eine Schicht fertig ist, bewegt sich die Bauplattform nach unten und die Materialoberfläche wird neu beschichtet. Der Vorgang wird wiederholt, bis das gesamte Teil vollständig ist (4).

Die Verarbeitung erfüllt höchste Ansprüche an die Materialeigenschaften, wie mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit, wodurch voll funktionsfähige und hochqualitative Teile entstehen. Da bei SLS das Puderbett bereits eine Stütze für das finale Objekt bildet, sind keine zusätzlichen Stützen mehr notwendig und das Produkt ist in seiner Form frei gestaltbar. Im folgenden Video können Sie sich den Druckvorgang noch einmal genauer ansehen.

Nach dem Druck sind die Teile vollständig von Pulver umgeben. Der Pulverbehälter muss abgekühlt werden, bevor man zur Reinigung und Nachbearbeitung des Teils übergehen kann. Dies kann bis zu 12 Stunden dauern. Anschließend werden die Teile mit Druckluft oder anderen Reinigungsmethoden gereinigt und sind dann einsatzbereit oder können weiterverarbeitet werden.

Nach dem Druck mit der SLS-Technologie muss man die Teile reinigen und nachbearbeiten

Materialien für Selektives Lasersintern

Die Pulverschmelztechnologien ermöglichen die Herstellung von Objekten aus einer Vielzahl von Materialien, wobei sich die SLS-Technik auf Kunststoffpolymere bezieht. Das Gebräuchlichste ist Polyamid (PA 12), allgemein bekannt als Nylon 12; es kann aber auch Polypropylen, Alumid, Kohlenstoffmid, PEBA, PA 11, PEEK sein. Es ist auch möglich, den Materialien andere Zusatzstoffe wie Kohlefasern, Glas oder Aluminiumfasern hinzuzufügen, wodurch das mechanische Verhalten der Teile verbessert wird.

Die meisten der anfänglichen Anwendungen dieser Technologie standen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Prototypen. Da die Materialien jedoch widerstandsfähiger, und die Preise für SLS-3D-Drucker niedriger werden, wird nun auch über die Entwicklung von Endteilen innerhalb des Selektiven Lasersinterns gesprochen.

Neben Nylon sind weitere Materialien entstanden, die bei SLS-Technologien eingesetzt werden können.

Akteure und Entwicklungen

Die SLS-Technologie wird in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Design, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau und viele andere. Bis vor wenigen Jahren waren die Haupthersteller von 3D-Druckern für SLS, 3D Systems und die EOS GmbH, mit besonderem Fokus auf die professionelle Industrie. Letztere war der einzige Hersteller, der SLS-Maschinen einsetzte, die mit Hochleistungs-Thermoplasten wie PEEK drucken konnten. 2014 wurde das Patent für diese Technologie für die Öffentlichkeit zugänglich, sodass mehrere Akteure hinzu kamen: Von neuen Unternehmen wie Natural Robots und seinem VIT bis hin zu bekannten Marken wie Formlabs und seinem neuen Fuse 1. Dies wird diese Technologien demokratisieren und sie mehr Unternehmen der Branche näher bringen.

Das folgende Video veranschaulicht selektives Lasersintern noch einmal mit mehr Details und stellt die Vorteile dieser Technologie dar.

Titelbildnachweis: EOS

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