Selektives Laserschmelzen

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Das Selektive Laserschmelzen (englisch Selective Laser Melting, Abk. SLM)[1] ist ein generatives Fertigungsverfahren, das zur Gruppe der Strahlschmelzverfahren gehört und häufig auch als 3D-Drucken bezeichnet wird. Ähnliche Verfahren sind das Elektronenstrahlschmelzen und das selektive Lasersintern.

Verfahren[Bearbeiten]

Beim Selektiven Laserschmelzen wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Laserstrahlung lokal vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht.[2] Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt, nach Bedarf bearbeitet oder sofort verwendet.

Typische Schichtstärken für alle Materialien sind 20 - 100 µm.

Die Daten für die Führung des Laserstrahls werden aus einem 3D-CAD-Körper mittels Software erzeugt. Im ersten Berechnungsschritt wird das Bauteil in einzelne Schichten unterteilt. Im zweiten Berechnungsschritt werden für jede Schicht die Bahnen (Vektoren) erzeugt, die der Laserstrahl abfährt. Um die Kontaminierung des Werkstoffs mit Sauerstoff zu vermeiden, findet der Prozess unter Schutzgasatmosphäre mit Argon oder Stickstoff statt.

Durch Selektives Laserschmelzen gefertigte Bauteile zeichnen sich durch große Bauteildichten (> 99 %) aus. Dies gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils weitgehend denen des Grundwerkstoffs entsprechen.

Gegenüber konventionellen Verfahren (Gussverfahren) zeichnet sich das Laserschmelzen dadurch aus, dass Werkzeuge oder Formen entfallen (formlose Fertigung) und dadurch die Produkteinführungszeit reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die große Geometriefreiheit, die Bauteilformen ermöglicht, die mit formgebundenen Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand herstellbar sind. Des Weiteren können Lagerkosten reduziert werden, da spezifische Bauteile nicht bevorratet werden müssen, sondern bei Bedarf generativ hergestellt werden.

Bezeichnungen und Namensgebung[Bearbeiten]

Das Verfahren wurde maßgeblich am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen in Kooperation mit F&S (Dr. Matthias Fockele und Dr. Dieter Schwarze) entwickelt.[3] Im Zuge der weiteren Prozess- und Anlagenentwicklung wurden von verschiedenen Maschinenherstellern unterschiedliche Namen für das beschriebene Verfahrensprinzip geprägt:

  • Selective Laser Melting (SLM®): SLM Solutions, ReaLizer
  • Direct Metal Laser Sintering (DMLS): EOS
  • LaserCUSING®: Concept Laser

Spezifische Bauteilgestaltung[Bearbeiten]

Verfahrenstypisch ist die Geometriefreiheit. Dies bedeutet, dass Hinterschnitte möglich werden, die mit formgebundenen Verfahren nicht herstellbar sind. Zudem können konventionell hergestellte Dreh- oder Frästeile durch SLM "veredelt" werden (Mischbauweise/Hybridbauweise). Schließlich ist es möglich, Bauteile oder Prototypen in kürzester Zeit oder als Unikate entstehen zu lassen.

  • Geometriefreiheit

Die Geometriefreiheit ermöglicht die Herstellung komplexer Strukturen, die mit konventioneller Herstellung technisch oder wirtschaftlich nicht realisiert werden können. Hierzu zählen Hinterschnitte, wie sie bei Schmuck oder technischen Bauteilen auftreten. Ebenfalls können offen-poröse Strukturen hergestellt werden, wodurch Leichtbauteile bei gleichzeitigem Erhalt der Festigkeit erzeugt werden können. Als bionische Vorlage aus der Natur lässt sich die poröse Struktur von Knochen nennen, die sich in der Evolution als günstig erwiesen hat.

  • Mischbauweise/Hybridbauweise

Unter der Mischbauweise/Hybridbauweise bei SLM-Verfahren versteht man ein zum Teil generativ gefertigtes Bauteil. Hierbei wird auf eine ebene Fläche eines ersten, konventionell gefertigten Bauteilbereichs im anschließenden SLM-Prozess ein zweiter, generativ gefertigter Bauteilbereich aufgebaut. Der Vorteil der Hybridbauweise liegt darin, dass das durch das SLM-Verfahren zu fertigende Bauvolumen eines Bauteils stark reduziert werden kann und insbesondere einfache Geometrien konventionell sowie geometrisch anspruchsvollere Bereiche mittels des SLM-Verfahrens aufgebaut werden können. Damit wird die Bauzeit, sowie die Kosten für das metallische Pulvermaterial auf Grund des geringeren Volumens für den durch das SLM-Verfahren gefertigten Bauteilbereich reduziert. [4]

  • Prototypen und Unikate

Formgebundene Verfahren bedürfen gewisser Seriengrößen, um die Kosten für die Formen auf die Stückkosten umzulegen. Beim SLM-Verfahren entfallen diese Einschränkungen: Es wird möglich Muster oder Prototypen zeitnah herzustellen. Zudem können sehr individuelle Teile als Unikate entstehen, wie sie beim Zahnersatz, bei Implantaten, Uhrenelementen oder Schmuck erforderlich sind.

Werkstoffe[Bearbeiten]

Die für das Selektive Laserschmelzen verwendeten Werkstoffe sind in der Regel Serienwerkstoffe, die keine Bindemittel enthalten. Die Maschinenhersteller und ihre Materialpartner zertifizieren die Serienwerkstoffe für die Anwender (z.B. für dentaltechnische oder medizinische Anwendungen gem. EU-Richtlinien und Produkthaftungsgesetz).

Serienwerkstoffe werden durch Verdüsen in Pulverform umgewandelt. Dabei entstehen sphärische Partikel. Der minimale und maximale Durchmesser der verwendeten Partikel wird in Abhängigkeit von der verwendeten Schichtdicke sowie der zu erzielenden Bauteilqualität ausgewählt. Alle Pulverwerkstoffe sind zu 100 % für nachfolgende Bauprozesse wieder verwendbar. Eine Auffrischung mit nicht verwendetem Material ist nicht notwendig.

Verwendete Werkstoffe sind zum Beispiel:

Anwendungen und Branchen[Bearbeiten]

Das Verfahren kann in zahlreichen Branchen eingesetzt werden. Dazu zählen:

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. SLM ist gem. Markenregistereintrag 30094322, Deutsches Patent- und Markenamt eine Wortmarke der SLM Solutions Group. In der Fachliteratur wird SLM als Abkürzung für das Verfahren des Selektiven Laserschmelzens verwendet, siehe zum Beispiel Joachim Tinschert, Gerd Natt: Oxidkeramiken und CAD/CAM-Technologien, Deutscher Ärzteverlag, 2007, S. 39, ISBN 9783769133424; Andrzej Grzesiak et al.: Generative Fertigung Mit Kunststoffen, Springer-Verlag, 2013, S. 31. ISBN 9783642243257
  2. Jean-Pierre Kruth u.a.: Binding Mechanisms in Selective Laser Sintering and Selective Laser Melting, In: Rapid prototyping journal, 11 (1), 2005, pp. 26-36. ISSN 13552546
  3. Wilhelm Meiners: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe, Dissertation, RWTH Aachen 1999.
  4. Special Tooling 1/02: Werkzeugkerne mit Laserenergie generieren, 2002, Seiten 12-15.