Selektives Laserschmelzen (SLM)

Das additive Fertigungsverfahren Selektives Laserschmelzen (SLM) dient der form- und werkzeuglosen Herstellung von Bauteilen aus Metallpulver. Selektives Laserschmelzen ist eine Technologie für den 3D-Druck. Als eines der vielseitigsten 3D-Druckverfahren ist es eine immer beliebtere Alternative zu Schweißen, Fräsen oder Gießen. Sicherlich werden oft Kunststoffe für den industriellen 3D Druck verwendet, aber aufgrund der vielen Vorteile des 3D Metalldruck, wird SLM immer beliebter.

Alternative Bezeichnungen:
Die additive Herstellung von Bauteilen aus Metallpulver wird neben SLM (Selective Laser Melting) auch bezeichnet als DMLS (Direct Metal Laser Sintering), LaserCUSING, LMF (Laser Metal Fusion) oder Additiv Layer Manufacturing. In der Praxis wird das form- und werkzeuglose Fertigungsverfahren oft als 3D Metalldruck bezeichnet.

Wie funktioniert das Selektive Laserschmelzen?

Beim SLM finden die zu verarbeitenden Materialien wie Kunststoff oder Metall in Pulverform Anwendung. Mit Hilfe eines Computers wird ein Laserstrahl gesteuert. Dieser Laserstrahl erhöht die Temperatur des Pulvers, bis die benachbarten Pulverpartikel selektiv miteinander verbunden werden. Das Pulver wird Schicht für Schicht in der entsprechenden Form aufgebracht. So entsteht Schritt für Schritt das Bauteil, welches bereits während des Entstehungsprozesses weitgehend selbst tragend ist. Sollten Stützstrukturen notwendig sein, werden diese zeitgleich mit aufgebaut und unter den zu stützenden Flächen platziert. Man spricht hier von einer Anker- oder Stützstruktur. Nach dem Schmelzprozesses muss nur noch das überschüssige Pulver entfernt werden und das Bauteil ist fertig für die Endbearbeitung.

Was muss bei der Konstruktion beachtet werden?

Das Metall 3D-Druck Verfahren Selektives Laserschmelzen ermöglicht hohe Freiheitsgrade bei der Gestaltung von Bauteilen. Viele Einschränkungen, die man von den konventionellen Fertigungsverfahren kennt, gelten bei SLM nicht oder nur eingeschränkt. Dennoch müssen Gestaltungsrichtlinien eingehalten werden, um im Ergebnis qualitativ hochwertige und funktionale Bauteile zu erhalten, die sich wirtschaftlich rechnen.

So müssen z.B. Formschrägen mit mehr als 45° durch Stützstrukturen abgestützt werden. Ansonsten entstehen Überhänge mit Prozessfehlern, bedingt durch thermisch induzierte Eigenspannungen. Folge sind minderwertige Oberflächenqualität bis hin zu Prozessabbruch. Solche Stützstrukturen werden im Preprocessing in der Konstruktion vorgesehen und später dann mit Hilfe spanender Fertigungsverfahren entfernt. Abgestützt werden müssen auch innenliegende runde Kanäle ab einem Durchmesser von 8 mm. Die Kanalgeometrien können aber auch selbststützend ausgeführt werden.

Wann empfiehlt sich der Einsatz des SLM?

Selektives Laserschmelzen bietet ein enormes Innovationspotenzial. Und die kurze Zeitspanne von Produktentwicklung bis Markteinführung bietet viel Raum für neue Ideen. Denn die Konstruktionsmöglichkeiten werden nicht länger von der Fertigung begrenzt. Plötzlich sind Bauteile möglich, die mit konventionellen Fertigungsverfahren entweder nur sehr kostenintensiv oder gar nicht herzustellen waren. So sind auch kleinste Stückzahlen kosteneffizient herstellbar. Selektives Laserschmelzen bietet damit nicht nur den klassischen Abnehmern von Hightech-Bauteilen (wie der Luft- und Raumfahrtindustrie und  oder Automobilindustrie), sondern auch den Branchen wie Maschinenbau, Werkzeugbau, produzierendes Gewerbe oder in der Medizintechnik deutliche Vorteile.

Welche Vorteile bietet das Selektive Laserschmelzen?

Der Nutzen durch SLM ist vielfältig und hängt sicherlich stark von Geometrie und Anwendungsfall ab:

  • Realisierung selbst hochkomplexer Geometrien und beweglicher Teile
  • Produktionskosten sind unabhängig von der Bauteilkomplexität
  • Gewichtsreduktion durch Optimierung der Topologie oder Leichtbaustrukturen
  • Funktionsoptimierung durch hybride oder integrale Bauweise
  • Hohe Konstruktionsfreiheit in der Bauteilentwicklung
  • Verkürzter Produktentwicklungsprozess
  • Werkzeuglose Fertigung ist äußerst schnell und verlässlich
  • Hohe Wirtschaftlichkeit durch geringste Abfallmengen
  • Bauteilgenauigkeit von ca. 0,1 mm

Was ist der Unterschied zwischen SLM und SLS?

Beim Laserschmelzen wird das Metallpulver vollständig geschmolzen. Dadurch verbindet es sich mit dem umliegenden Material. Beim selektiven Laserschmelzen (Lasersintern) hingegen wird das Metallpulver nur partiell erhitzt und selektiv Schicht für Schicht aufgetragen. Das Bauteil weist von Beginn an alle mechanisch-technologischen Vorzüge auf. Für die Herstellung sind weder Gussformen noch stabilisierende Stützstrukturen notwendig.

Bauteile aus Kunststoff werden oft für Design-Prototypen ohne Funktion und Lastfall verwendet. Aufgrund ihrer geringen Festigkeit erfüllen sie häufig nicht die mechanischen Anforderungen eines funktionalen Prototypen und die Kunststoffbauteile weisen häufig sehr spröde Materialeigenschaften auf. Metall 3D-Druck und Kunststoff 3D-Druck unterscheiden sich auch in den Konstruktionsrichtlinien. So werden beim Kunststoff 3D-Druck weniger oder keine Stützstrukturen benötigt, weil weniger Eigenspannungen aufgrund geringerer Temperaturgradienten entstehen.

Was muss beim Einsatz des SLM beachtet werden?

Heutzutage ist die Auswahl an Pulverwerkstoffen für das direkte Metall-Laserschmelzen sehr umfangreich. So kann für die Produktion der Metallbauteile je nach Kundenwünschen Aluminium, diverse Stahlarten, Edelstahl, Titan oder auch Nickel und Kobalt-Chrom Legierungen verwendet werden. Für die additive Fertigung muss die Geometrie des Bauteils dreidimensional als Schichtdaten vorliegen.

Welche Werkstoffe sind für den Metall 3D-Druck verwendbar?

Beim Selektiven Laserschmelzen kann prinzipiell jede schweißbare Metalllegierung verarbeitet werden. Voraussetzung ist, dass für jeden Werkstoff die individuellen Prozessparameter in mehreren Iterationszyklen qualifiziert werden.

Standardwerkstoffe für das Selektive Laserschmelzen:

  • Edelstahl (1.4404 / 316L)
  • Werkzeugstahl (1.2709)
  • Aluminium (AlSi10Mg / 3.2382 / 3.2383)
  • Titan (Ti6Al4V / 3.7165)
  • Nickelbasis Legierung (Alloy 718 / 2.4668)

Wir können bei BÖHL weitere Werkstoffe jederzeit auf Wunsch qualifizieren.

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