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Seit wann gibt es das SLM-Verfahren?

Ähnlich wie das Selektive Lasersintern ist das SLM-Verfahren recht jung. Die Wurzeln dieses additiven Fertigungsverfahrens liegen im Jahr 1995 bzw. im Zeitraum von 1995 bis 1998. Damals wagten die Unternehmen F & S Stereolithografietechnik und die Trumpf GmbH sowie das in Aachen ansässige Fraunhoferinstitut für Lasertechnik die ersten Schritte im Forschungsbereich der Laserschmelzverfahren.

Die Technik des Selektiven Laserschmelzens wurde jedoch erstmals durch die britische Mining and Chemical Products Ltd. (MCP) eingeführt. Die erste Produktionsmaschine wurde im Jahr 1999 in Karlsruhe in Betrieb genommen. Die Abkürzung SLM ist im Übrigen nicht nur die Kurzbezeichnung für das Selektive Laserschmelzen, sondern auch eine Wortmarke der Firma SLM Solutions.

Welche Nachteile hat das Selektive Laserschmelzen?

Insgesamt überwiegen beim Selektiven Laserschmelzen die Vorteile. Nichtsdestotrotz hat das SLM-Verfahren auch Nachteile. Allem voran steht der enorme Energiebedarf für das Laserschmelzen. Darüber hinaus ist der Bauraum, in dem die Werkstücke entstehen beschränkt. Damit können keine beliebig großen Objekte am Stück gedruckt werden.

Entsprechend große Drucke für das SLM-Verfahren sind derzeit noch rar und hochpreisig. Die Anschaffung lohnt sich daher bei weitem nicht für jedes Unternehmen. Hier kommen wir als professioneller Dienstleister ins Spiel. Durch das Auslagern der additiven Fertigung können Sie auch Kleinserien Ihrer Werkstücke kosteneffizient produzieren lassen.

Ist es möglich, Hinterschneidungen und innenliegende Strukturen zu realisieren?

Da jedes Bauteil beim Selektiven Laserschmelzen schichtweise in hauchdünnen Materiallagen aufgebaut wird, sind bei der Gestaltung der Werkstücke alle Freiheiten gegeben. Das betrifft damit auch Hinterschneidungen, innenliegende Strukturen sowie komplexe Konstruktionen, die somit problemlos realisiert werden können. Damit unterscheidet sich das SLM-Verfahren stark von konventionellen Fertigungsverfahren wie dem Gussverfahren, wo solche Strukturen nur in sehr beschränktem Maße umsetzbar sind.

Wie läuft die Vorbereitung bis zur eigentlichen SLM-Fertigung ab?

Bevor ein Werkstück mit dem SLM-Verfahren hergestellt werden kann, muss die Quelldatei für den Fertigungsprozess vorbereitet werden. Ausgangspunkt ist ein CAD-Datensatz (Computer Aided Design) – häufig im STEP-Format. Im ersten Schritt werden die CAD-Daten in ein STL (Surface Tesselation Language) Format konvertiert.

Im Anschluss folgt das sogenannte Slicing, beim dem das Modell in ein maschinenlesbares Verfahren gebracht wird. Dabei wird das dreidimensionale Modell in zweidimensionale, horizontale Scheiben (Layer) unterteilt. Beim eigentlichen SLM-Druck werden diese einzelnen Schichten nacheinander aufgeschmolzen.

Ist das Selektive Laserschmelzen ein umweltfreundliches Verfahren?

Ja, als additives Fertigungsverfahren ist das Selektive Laserschmelzen sehr umweltfreundlich. Trotz des hohen Energiehungers für den Einsatz des hochenergetischen Lasers ist das Verfahren gerade im Vergleich zu alternativen Möglichkeiten ressourcenschonend. Auf konventionellem Weg müssten Sie sonst selbst für Kleinserien erst Werkzeuge und Gussformen herstellen lassen, die im Zweifelsfall nicht nachhaltig nutzbar wären.

Beim Selektiven Laserschmelzen ist weder spezielles Werkzeug noch eine Gussform notwendig. Das spart Zeit, Energie und Material. Apropos Material: Auch die Fertigung via SLM selbst spart im Vergleich zu anderen Verfahren ebenfalls Material. Hintergrund ist, dass das 3D-Modell das Werkstück präzise definiert und es möglich ist Strukturen mit geringem Materiaeinsatz wie Aussparungen und Verrippungen herzustellen.

Während der Fertigung wird lediglich das Material aufgeschmolzen, das für die finale Struktur nebst den Stützstrukturen verwendet wird. Nach dem Abschluss des Aufschmelzprozesses wird das übrige Metallpulver gesammelt. So kann es für weitere Werkstücke verwendet werden. Auch die Reste, die durch das Nachbearbeiten beim Entfernen der Grate und Stützstrukturen anfallen, werden dem Recycling zugeführt.

Welche Dateiformate werden für das SLM-Format benötigt?

In der Regel reichen Sie vor der Fertigung eine CAD-Datei ein. Diese CAD-Datei wird im Anschluss für den 3D-Druck per SLM-Verfahren optimiert und in 2D-Scheiben zerlegt. Das Ergebnis ist eine Datei im Standard STL-Format, die von nahezu allen schichtbasierten 3D-Druckern gelesen werden kann. Alternativ ist es auch möglich, Bauteildaten gleich per STL-Dateiformat zu übermitteln. Allerdings lässt sich die Datei in diesem Fall vor der Produktion nicht mehr verändern.

Welche Werkstoffe können mit dem SLM-Verfahren aufgeschmolzen werden?

Das Selektive Laserschmelzen ist ein 3D-Metalldruck-Verfahren, das mit zahlreichen Metallwerkstoffen realisiert werden kann. Zu den gebräuchlichsten Metallen bzw. Metalllegierungen gehören:

• Aluminium AlSi10Mg: SLM-Bauteile, die aus Aluminium hergestellt worden sind, ergeben ein nahezu porenfreies und homogenes Gefüge. Gleichzeitig weißt das Material trotz der hohen Härte und Festigkeit eine überdurchschnittliche dynamische Belastbarkeit auf. Erste Wahl ist Aluminium AlSi10Mg bei Werkstücken, von denen eine Kombination aus niedrigem Gewicht und guten mechanischen Eigenschaften gefordert wird. Aluminium-Bauteile können im Nachgang leicht poliert, mikro-gestrahlt, beschichtet, geschweißt oder senkerodiert werden.
• Werkzeugstahl 1.2709: Dieser besondere Werkzeugstahl ist martensitaushärtend. Dadurch zeichnet sich das Material durch hervorragende mechanische Eigenschaften aus. Die hohe Festigkeit und Härte des Werkzeugstahls wird durch eine Wärmebehandlung erreicht. Wie der Name es bereits andeutet, findet der Werkzeugstahl bei der Herstellung von Druck- und Spritzgusswerkzeugen, Werkzeugelementen, Kernen und Prototypen via SLM-Verfahren Verwendung. Es kann eine Härte von maximal ca. 52 HRC erreicht werden.
• Edelstahl 1.4542: Die Edelstahllegierung 1.4542 ist rostfrei, besitzt eine hohe Korrosionsbeständigkeit sowie eine hohe Duktilität und Festigkeit. Ein weiterer großer Vorteil von Edelstahl 1.4542 ist, dass sich die Oberfläche nach dem SLM-Druck hervorragend mechanisch bearbeiten, schweißen, polieren oder beschichten lässt. Vor allem bei der Fertigung von Funktionsteilen mit guten mechanischen Eigenschaften für Kleinserien ist Edelstahl 1.4542 beliebt.
• Titan TiAl6V4: Diese spezielle Titanlegierung ist prädestiniert für industrielle Anwendung sowohl in der Luft- und Raumfahrt als auch im Automotiv-Sektor. Auch in der Medizintechnik sowie im Schiffbau spielt Titan TiAl6V4 seine Vorzüge aus. Dazu zählt neben den ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften die hohe Korrosionsbeständigkeit.
• Nickelbasislegierung 2.4668: Diese Legierung (NiCr19NbMo (Inconel 718) ist sehr korrosionsbeständig und lässt sich in der weiteren Verarbeitung gut schweißen. Damit ist die Legierung optimal für Hochtemperaturanwendungen geeignet, wie man sie in der Luft- und Raumfahrt, in der Pumpen-, Mess-, Energie- und Prozesstechnik sowie beim Bau von Gasturbinen vorfindet. Möglich macht das die enorm hohe Bruch-, Kriech-, Dauer- und Zugfestigkeit bei Temperaturen von bis zu 700 Grad Celsius.

Gerne beantworten wir Ihnen Ihre Fragen zu den Einsatzmöglichkeiten verschiedenster Werkstoffe in der additiven Fertigung. Der von Ihnen favorisierte Werkstoff ist in unserer Auflistung nicht aufgeführt? Kein Problem, nehmen Sie einfach Kontakt mit uns auf. Unsere Experten kümmern sich um Ihr Anliegen und beantworten Ihre Fragen.

Für welche Anwendungskategorien eignet sich das SLM-Verfahren besonders gut?

Die additive Fertigung per SLM-Verfahren eignet sich für unterschiedlichste Anwendungsbereiche. Allem voran stehen Funktions-Prototypen aus Metall, Kleinserien sowie individuelle Schmuck- und Designgegenstände:

• Funktions-Prototypen: Der große Vorteil vom SLM-Verfahren sind die hohe Genauigkeit sowie die Detailauflösung. Damit eignet sich der Metall-3D-Druck durch SLM ideal, um funktionierende und belastbare Prototypen herzustellen. Dank der Verwendbarkeit von verschiedensten Metalllegierungen und Metallen halten die Funktionsprototypen bereits sehr hohen thermischen und mechanischen Belastungen stand.
• Kleinserienproduktion: Für kleine Produktserien eigene Gussformen oder Werkzeuge herzustellen, ist eine teure Angelegenheit. Der 3D-Metalldruck via SLM-Verfahren ist gerade für Kleinserien deutlich ökonomischer. Zum Einsatz kommt das Verfahren u.a. für Kleinserien im Werkzeug- und Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie im Rennsport.
• Schmuck- und Designgegenstände: Für hochindividualisierte Objekte ist das Selektive Laserschmelzen ein optimales Fertigungsverfahren. Insbesondere mit biokompatiblem Werkstoffen wie Titan lassen sich einzigartige Schmuckstücke und Designelemente mit einem hohen Detailgrad herstellen.

Haben SLM-Werkstücke ähnliche mechanische Eigenschaften wie Fräs-, Walz- oder Schmiedeteile?

Beim Selektiven Laserschmelzen werden Werkstücke aus einem in Pulverform vorliegenden Metallwerkstoff hergestellt. Während das Verschmelzen von Kunststoffen Ingenieuren hinsichtlich der Materialeigenschaften schon längst keine Kopfschmerzen mehr bereitet, zweifelt mancher an den mechanischen Eigenschaften von SLM-Teilen. Immerhin müssen Funktionsteile aus Metall in der Regel deutlich höheren Funktionsbelastungen standhalten.

Hier können wir Sie beruhigen. Die im SLM-Verfahren hergestellten Bauteile sind im Hinblick auf ihre Materialeigenschaften absolut Vergleichbar mit Schmiede-, Fräs- und Walzteilen. Das gilt sowohl für die homogene Gefügedichte als auch für die mechanischen Eigenschaften. Bei einzelnen Legierungen sind die sofort einsetzbaren Bauteile sogar mit besseren Eigenschaften ausgestattet. Das ist beispielsweise bei der Aluminiumlegierung AlSi10Mg der Fall.

Welche Einschränkungen bringt das Selektive Laserschmelzen mit sich?

Jedes Fertigungsverfahren hat seine Grenzen. Das Gilt auch für das Selektive Laserschmelzen (SLM). Allem voran betrifft das die leicht rauen Oberflächen der gefertigten Werkstücke. Gerade wenn es darum geht, Werkzeuge für Spritzgussverfahren herzustellen, sind daher umfangreiche Nachbearbeitungen der Oberfläche notwendig.

Ähnliches gilt auch für Bauteile, die eine besonders glatte Oberfläche aufweisen sollen. Hinsichtlich der Geometrie sind die Einschränkungen lediglich minimal. Per SLM-Verfahren lässt sich beinahe jede Konstruktion aufbauen. Beachten Sie bitte, dass flache Bereiche im Inneren es Bauteils ohne Stützstrukturen nicht realisierbar sind.

Das Gleiche gilt auch für „überhängende“ Bauteilbereiche, die größer als 1 Millimeter sind. Diese Stützstrukturen können im Rahmen der Vorbereitung jedoch automatisch erzeugt werden. Im Zuge der Nachbearbeitung werden diese wieder vollständig entfernt.

Kann man den Metall-3D-Druck mit dem Kunststoff-3D-Druck vergleichen?

Grundsätzlich lassen sich beide Verfahren vergleichen, da es in beiden Fällen um additive Fertigungsverfahren handelt. Das war es jedoch schon mit den Gemeinsamkeiten. Ein großer Unterschied ergibt sich aus den Konstruktionsrichtlinien. Während beim 3D-Metalldruck vergleichsweise viele Stützstrukturen notwendig sind, kommt der 3D-Kunststoffdruck mit deutlich weniger oder sogar völlig ohne Stützstrukturen aus.

Hintergrund für die Notwendigkeit der Stützstrukturen ist die höhere Eigenspannung des Materials durch die höheren Temperaturgradienten. Darüber hinaus unterscheiden sich beide Verfahren bzw. die gedruckten Werkstücke in ihrer Verwendung. Während das SLM-Verfahren häufig zur Herstellung belastbarer Bauteile verwendet wird, dient der 3D-Kunststoffdruck meist der Herstellung von Prototypen oder Kleinserien im niedrigeren Temperaturbereich.

Was muss bei der Konstruktion für das Selektive Laserschmelzen beachtet werden?

Als Fertigungsverfahren ermöglicht Ihnen das Selektive Laserschmelzen große Freiheit bei der Gestaltung Ihrer Bauteile. Trotz aller Freiheit gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren müssen Sie einige Gestaltungsrichtlinien einhalten. Nur so ist die Fertigung hochqualitativer und funktionaler Bauteile ökonomisch möglich. Insbesondere Formschrägen, die in Bezug zum Aufbauwinkel größer als 45 Grad sind, müssen für die Fertigung durch Stützstrukturen abgestützt werden. Konstruieren Sie Ihr Bauteil am besten so, dass es keine oder zumindest möglichst wenige Stützstrukturen benötigt.

Wird dies nicht berücksichtigt, entstehen Überhänge, deren Eigenspannung zu Schäden am Bauteil führen können. Im schlimmsten Fall führt dies zum Abbruch des gesamten Produktionsprozesses. Ebenfalls abgestützt werden müssen runde, innenliegende Kanäle, wenn diese einen Durchmesser von mindestens 8 Millimetern haben.

Ebenfalls wichtig: Achten Sie darauf, dass spitze Ecken für ein optimales Ergebnis abge- und verrundet werden sollten. Vermeiden Sie bei der Konstruktion darüber hinaus größere Materialansammlungen. Auch die Mindestwandstärke ist bei der Gestaltung wichtig.

Zwar beträgt die Mindestwandstärke zwischen 0,5 und 1 Millimeter. Sinnvoller ist jedoch eine Wandstärke von 2 Millimetern. Das gilt insbesondere für strukturelle Wände sowie statisch bedeutende Elemente. Gerne stehen wir Ihnen bei Fragen zur Konstruktion Ihrer Bauteile für die SLM-Fertigung mit Rat und Tat zur Seite.

Worauf ist bei der Konstruktion von Hohlkörpern zu achten?

Grundsätzlich ist mit dem SLM-Verfahren auch die Herstellung von Hohlkörpern möglich. Wichtig ist, dass das Hohlmodell mindestens ein Loch enthält. Dieses ist zwingend notwendig, damit das im Hohlkörper enthaltene Metallpulver nach dem Entnehmen des Werkstücks aus dem Hohlraum entfernt werden kann.

Achten Sie bitte auf eine Mindestwandstärke von 1 Millimeter sowie einen Lochdurchmesser von 3 Millimetern. Je komplexer oder größer Ihr Hohlkörper, desto mehr Löcher benötigt Ihr Werkstück, für den optimalen Abtransport des Metallpulvers. Idealerweise platzieren Sie das Loch in der Mitte des Modells.

Sind vor dem Druck im SLM-Verfahren Änderungen erforderlich?

Grundsätzlich unterscheiden wir zwischen bleibenden und temporären Änderungen. Bleibende Änderungen beziehen sich meist auf Anpassungen, zur Funktionsintegration, zur Vereinfachung des Bauteils sowie zur Optimierung der Topologie bzw. des Druckprozesses.

In Abstimmung mit Ihnen wird die Geometrie des beauftragten Bauteils, sofern dies erforderlich ist, entsprechende der genannten Kriterien angepasst. Aus Erfahrung wissen wir jedoch, dass Änderungen an der Konstruktion nur in den seltensten Fällen zwingend erforderlich sind. Gerne beraten unsere Experten Sie bei der Optimierung Ihrer Bauteile vor dem Start der Produktion.

Wesentlich häufiger sind temporäre Änderungen an Bauteilen. Dabei handelt es sich in der Regel um Hilfs- und Stützstrukturen. Diese Modifikationen stellen sicher, dass Ihr Bauteil auch in der gewünschten Gestalt und Qualität gefertigt werden kann. Im Rahmen der Nachbearbeitung werden die vorrübergehenden konstruktiven Modifikationen entfernt. Das fertige Bauteil entspricht in jedem Fall der ursprünglich angeforderten Konstruktion.

Welche Art von Nachbehandlung ist beim Selektiven Laserschmelzen erforderlich?

Während dem schichtweisen Aufbau der Konstruktion ist das Werkstück an der Bauplatte der Fertigungsmaschine verschweißt. Damit sich im Zuge der Fertigung keine zu großen Spannungen ergeben, die das Bauteil gefährden, wird das Werkstück noch während der Fertigung mit Wärme behandelt. Erst danach wird das Werkstück vorsichtig von der Bauplatte entfernt. Anschließend erfolgt die eigentliche Nachbearbeitung des Bauteils durch das manuelle Entfernen des nicht zur Konstruktion gehörenden Stützmaterials.

Unter welchen Bezeichnungen ist das Selektive Laserschmelzen noch bekannt?

Sie wollen Bauteile via additiver Fertigung aus Metall herstellen lassen? Dann sind Ihnen sicherlich zahlreiche Fachbegriffe für Verfahren zu Ohren gekommen. Das in der Fachwelt in der Regel als SLM bezeichnete Verfahren für die Herstellung von Bauteilen aus Metallpulver ist jedoch noch unter weiteren Namen bekannt.

So etwa als Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Laser Metal Fusion (LMF), LaserCUSING oder Additiv Layer Manufacturing. All diese Verfahrensbezeichnungen stehen für ein und dasselbe form- und werkzeuglose Fertigungsverfahren – das selektive Laserschmelzen.