Wie funktioniert Selektives Lasersintern (SLS)?

Wie funktioniert Selektives Lasersintern (SLS)?

Selektives Lasersintern ist eine der am häufigsten verwendeten Technologien der Additiven Fertigung zur Herstellung struktureller Kunststoffteile. In diesem Artikel erläutern wir das Verfahrensprinzip und die im SLS-Prozess verwendeten Materialien.

Selektives Lasersintern (SLS), auch unter dem englischen Begriff Powder Bed Fusion (PBF) bekannt, ist eine der am häufigsten verwendeten Technologien in der Additiven Fertigung (auch: Additive Manufacturing) zur Herstellung von strukturellen Kunststoffteilen. Es erfordert keine Formen oder Stützstrukturen. Darüber hinaus kann es komplexe Geometrien, innere Strukturen und dünne Wände mit mechanischen Eigenschaften herstellen, die mit denen von Spritzgussteilen vergleichbar sind. Dies verkürzt den Entwicklungszyklus und macht es für viele Werkstücke und sogar ganze Baugruppen zu einer Alternative.

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer SLS-Maschine

Das Prinzip des SLS-Prozesses

Beim SLS-Verfahren wird eine dünne Pulverschicht auf die Oberfläche des Bauraums aufgetragen und bis knapp unter die Schmelztemperatur des Materials erhitzt, die oft als Bauraumtemperatur bezeichnet wird (Heizer nicht im Schema dargestellt). Als nächstes zeichnet ein Laser den Querschnitt der Bauteilgeometrie der ersten Schicht nach und liefert dabei genügend Energie, um das Material lokal aufzuschmelzen. Ohne Scherkräfte muss die Schmelze eine niedrige Viskosität und Oberflächenspannung aufweisen, damit sie gut zusammenfließt und einen gleichmäßigen Schmelzpool bilden kann. Das umgebende Pulver bleibt fest und behält die Form der geschmolzenen Geometrie bei. Daher sind keine Stützstrukturen erforderlich. Dies ist an den drei N-förmigen Bauteilen im Pulverbett zu erkennen. Nun wird die Bauplattform um eine Schichthöhe abgesenkt, um Platz für die nächste Schicht zu schaffen. Ein Rakel oder eine Walze bewegt sich über die Oberfläche, nimmt überschüssiges Material aus dem Reservoir auf und legt dieses neue und kältere Pulver auf dem Bauraum ab, um dort die nächste Schicht zu erzeugen. Auch hier wird das Pulver erhitzt, um es auf der Bauraumtemperatur zu halten. Dies ist wichtig, um Kristallisation zu verhindern. Der gesamte Bauraum wird in einer Stickstoffatmosphäre gehalten, um Alterungseffekte zu reduzieren.

Diese Prozessschritte des Pulverbeschichtens und des Laserschmelzens werden immer wieder wiederholt, bis das gesamte Teil erstellt ist. Erst dann wird der Bauraum abgekühlt, was den Kristallisations- und damit Erstarrungsprozess des Teils einleitet. Nachdem das Teil und das umgebende Pulver vollständig abgekühlt sind, wird das Teil ausgepackt.

Im SLS-Prozess verwendete Materialien

Der erste, in diesem Prozess eingesetzte, Werkstoff war PA12, da das Material sehr gute mechanischen Eigenschaften besitzt und die Fähigkeit hat, durch Ausfällung Pulver zu erzeugen. Dadurch erhält man Pulver mit nahezu perfekter Kugelform, die notwendig ist, um beim Beschichten eine gleichmäßige Schicht zu erzeugen. PA12 macht heute noch 90-95% aller in SLS verwendeten Werkstoffe aus. In den letzten Jahren wurden jedoch immer mehr Werkstoffe für das Verfahren qualifiziert, darunter Hochleistungswerkstoffe wie PEEK, Elastomerwerkstoffe wie TPUs und sogar Standardwerkstoffe wie PP. Die meisten von ihnen werden durch kryogene Vermahlung hergestellt und weisen mehr oder weniger ausgeprägte Abweichungen von der Kugelform auf [1].

Weitere Grundlagen über Selektives Lasersintern und andere Technologien finden Sie auf unserem YouTube-Kanal!

Erfahren Sie hier mehr über Powder Bed Fusion!

Thermische Analyse und Rheologie zur Unterstützung erfolgreicher SLS-Prozesse

In der Forschung und Entwicklung von SLS-Prozessen werden Projekte, die sich mit der Erforschung neuer Materialien beschäftigt, gezielt gefördert. Ziel ist es, ihre Eignung für SLS zu bestimmen, das Prozessfenster zu definieren, die Bildung der Schmelze zu analysieren und zu verstehen, wie Füllstoffe die Eigenschaften von Pulver und Fertigteilen verändern.

In den folgenden Blogbeiträgen beleuchten wir verschiedene Analysemethoden, bei denen Instrumente der thermischen Analyse und Rheologie zur Charakterisierung von Schlüsselparametern eingesetzt werden. Dies umfasst unter anderem die Bestimmung des Prozessfensters und der isothermen Kristallisation von SLS-Pulvern mit Dynamische Differenz-Kalorimetrie (DSC) sowie der Untersuchung von Eigenspannungen und Verzug in SLS.

Bestimmung des Prozessfensters von SLS-Pulvern mittels DSC

Um ein Polymerpulver auf seine Eignung für SLS zu charakterisieren und das Prozessfenster zu bestimmen, wird die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) eingesetzt. Erfahren Sie, wie Sie die Messungen durchführen und welche Schlüsse Sie daraus ziehen können.

Quelle

[1] Schmid, M. (2018): Laser Sintering with Plastics – Technology, Processes and Materials, Carl Hanser Verlag, Munich.

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