1. Für welche Einsatzgebiete eignen sich die verschiedenen Werkstoffe?

PA2200

Hinter der Bezeichnung PA2200 verbirgt sich der Kunststoff Polyamid 12 (PA12). Polyamide (z.B. Nylon) bestehen aus kettenförmigen Makromolekülen, in denen -CO-, -CH2-, und -NH-Gruppen enthalten sind. Die Zahl 12 verrät die Anzahl der Kohlenstoffatome, die in den Polymerketten zwischen zwei Stickstoffatomen stehen.

Das thermoplastische Material weist sehr gute mechanische Eigenschaften auf. Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Kerbschlagarbeit erreichen im Verhältnis zu anderen Kunststoffen überdurchschnittlich hohe Werte. PA12 zeichnet sich außerdem durch eine geringe Dichte, eine gute Verschleißfestigkeit und niedrige Reibwerte aus.

PA12 ist im Temperaturbereich von -40 °C bis +80 °C einsetzbar. Es hält kurzzeitig Temperaturen von bis zu +160 °C stand. Der verhältnismäßig niedrige Stickstoffanteil in den Polymerketten bewirkt eine sehr geringe Wasseraufnahmefähigkeit.

Mit Ausnahme von starken Säuren und stark oxydierend wirkenden Stoffen ist PA12 gegen die meisten chemischen Stoffe beständig. Daraus resultiert eine hohe Biokompatibilität. Das bedeutet, der Werkstoff verhält sich neutral zu biologischen Prozessen.

Die Weiterverarbeitung kann durch Glättung der Oberflächen, Behandlung mit Dichtungsmitteln, Kleben, Schweißen und Farbgebung erfolgen. Auch spanabhebende Bearbeitungsverfahren sind möglich.

Die Einsatzgebiete von PA12 erstrecken sich über die Medizintechnik, den Maschinenbau, die Elektrotechnik und die Lebensmitteltechnik bis zum Fahrzeugbau und zur Luftfahrtechnik. In der Medizintechnik bestehen zum Beispiel viele Prothesen aus diesem Material. Der Maschinenbau nutzt den Werkstoff unter anderem für Verbindungselemente und Gleitpaarungen. Ein breites Anwendungsgebiet ist der Bau von Prototypen und Kleinserien im Rahmen des SLS.

PA3200GF

PA3200GF ist eine Mischung aus Glaskugel-Pulver und pulverförmigem PA12. Der Zusatz im Rahmen des SLS bewirkt eine Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften. Der zulässige Temperaturbereich für den Einsatz der fertigen Bauteile erweitert sich auf -70 °C bis +105 °C. Kurzzeitig sind +150 °C möglich.

Die verbesserten Verschleißeigenschaften lassen den Einsatz des Werkstoffs für Zahnräder und Gelenkverbindungen im Maschinenbau und für Tiefziehwerkzeuge zu. Die hohe thermische Belastbarkeit erlaubt die Verwendung für Bauteile im Bereich der Antriebe von Kraftfahrzeugen, Luftfahrzeugen und in der Raumfahrt.

Alumide

Bei Alumiden handelt es sich um Mischungen aus PA12 und Aluminiumpulver. Durch das eingebettete Aluminium erhöhen sich die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturbeständigkeit. Die Einsatztemperaturen können bis zu 140 °C betragen. Bauteile aus diesem Werkstoff weisen eine hohe Steifheit und Maßhaltigkeit auf. Außerdem vereinfacht sich die Bearbeitbarkeit durch spanabhebende Verfahren. Der optische Eindruck der Bauteile ähnelt dem von Metallen.

Das Material eignet sich sehr gut für den Bau von Vorrichtungen und Lehren, Spritzgussformen, Anschauungsobjekten und Modellen zum Testen des Verhaltens im Windkanal.

TPU

Die Abkürzung TPU steht für thermoplastisches Polyurethan. Dieser Kunststoff enthält in den -CH2- Polymerketten die Molekülgruppe -NH-CO-O-. Die Materialeigenschaften lassen sich durch den Anteil dieser Molekülgruppe in der Kette und durch Zusatzstoffe variieren.

TPU bleibt auch bei niedrigen Temperaturen sehr flexibel. Der Werkstoff zeichnet sich durch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb aus und ist äußerst schnittfest. Seine hohe Stoßfestigkeit ermöglicht den Einsatz für Aufgaben, bei denen Stöße abgefedert und gedämpft werden sollen.

Die Einsatztemperaturen liegen zwischen -30 °C und +80 °C. Kurzzeitig widersteht das Material einer Temperatur von 100 °C. TPU hat ein verhältnismäßig hohes Wasseraufnahmevermögen.

Chemisch beständig ist der Werkstoff gegen Fette, Öle, wässrige Lösungen und viele Lösungsmittel. Für oxidierende Stoffe, starke Säuren und Alkohole ist TPU ungeeignet.

Die fertigen Teile lassen sich einfärben und durch Kleben oder Schweißen miteinander verbinden.

TPU wird für das selektive Lasersintern von Modellen verwendet, die auf mechanische Belastungen flexibel reagieren und anschließend in die Ausgangsform zurückkehren sollen. Das Material eignet sich sehr gut für die Herstellung von Protektoren, Anschlagpolstern sowie Schutzhüllen. Weitere Einsatzgebiete sind Dichtungen, Stoßdämpfer, Schuhsohlen und Griffe.

PEEK

PEEK ist die Abkürzung für Polyetheretherketon. Dieser thermoplastische Hochleistungskunststoff besteht aus Polymerketten, in denen ringförmige Kohlenwasserstoffe über Sauerstoffatome miteinander verbunden sind.

Die mechanische Belastbarkeit von PEEK ist etwa doppelt so hoch, wie die von PA12. Auch die Verschleißfestigkeit und die Beständigkeit gegen Abrieb heben sich deutlich von den anderen Kunststoffen ab.

Die minimale Einsatztemperatur liegt bei -85 °C. Die maximale Temperatur für die Verwendung von PEEK hängt von der mechanischen Beanspruchung ab. Bei wechselnder mechanischer Belastung beträgt sie 180 °C, bei statischer mechanischer Belastung 240 °C und beim Einsatz im Elektronikbereich ohne mechanische Belastung 260 °C. Die Wasseraufnahmefähigkeit ist so gering, dass auch die Verwendung in heißem Wasser oder Dampf möglich ist.

Die chemische Beständigkeit gegen Laugen, Schmier- und Kraftstoffe sowie Lösungsmittel ist sehr hoch. Gegen oxidierende Stoffe und starke Säuren ist PEEK unbeständig.

Die Nachbearbeitung der Teile durch spanabhebende Verfahren wie Drehen, Fräsen, Gewindeschneiden oder Schleifen ist problemlos möglich. Der Werkstoff lässt sich verkleben und Lackieren.

Einsatzgebiete sind unter anderem die Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilbau und die Medizintechnik. PEEK ist ein gebräuchlicher Ersatzstoff für Metalle wie Titan oder Edelstahl. Der Kunststoff wird bevorzugt als Material für Implantate, Gleitlager, elektrische Isolatoren und andere Bauteile, die hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind, verwendet.

2. Welche konstruktiven Rahmenbedingungen sind beim selektiven Lasersintern zu beachten?

Datenformat und Koordinatensystem

Für das SLS hat sich das Datenformat STL weitestgehend durchgesetzt. Im Unterschied zu den meisten CAD-Programmen zerlegt es die Oberflächen in Dreiecke. Dieses als Triangulation bekannte Verfahren wurde bereits bei der Vermessung der Erde praktiziert. Ebene Flächen lassen sich sehr einfach in Dreiecke zerlegen. Je mehr Rundungen das herzustellende Teil hat, desto mehr kleinere Dreiecke werden benötigt. Vorhandene CAD-Daten lassen sich problemlos in das STL-Format überführen.

Das Koordinatensystem ist so aufgebaut, dass die xy-Ebene die Grundfläche darstellt und die Bauteilhöhe in z-Richtung wächst. Um Zeit und Kosten beim SLS zu sparen, sollten Sie für den Druck das Bauteil so ausrichten, dass die Bauteilhöhe möglichst gering ist. Bei der Fertigung mehrerer gleicher Teile, die im Pulverbett übereinander liegen, können Sie die Gesamthöhe reduzieren, indem Sie Teile stapelbar gestalten. Dadurch lässt sich der Bauraum besonders bei kleineren Werkstücken optimal ausnutzen.

Toleranzen

Das Bauteil wächst in Schichten von ca. 0,1 mm in die Höhe. Im Bereich von +/- 0,1 mm liegen auch die minimal erreichbaren Toleranzen. Engere Toleranzen lassen sich durch eine spanende Nachbearbeitung realisieren. Der Toleranzbereich muss symmetrisch zu Sollwert liegen.

Minimale Wandstärken

Die minimal möglichen Wandstärken liegen in xy-Richtung bei ca. 0,7 mm. In z-Richtung ist die Wandstärke durch die Dicke der aufgetragenen Pulverschichten nach unten begrenzt. Standartmäßig sind ab 0,5 mm starke Wände herstellbar. Für die Wiederholbarkeit von Messungen und die Ausprägung der mechanischen Materialeigenschaften sollten Sie Mindestwandstärken ab 1,5 mm vorsehen.

Bohrungen und Schlitze

Der minimale Durchmesser von Bohrungen und die minimale Breite von Schlitzen hängen beim SLS von der Wandstärke des Bauteils ab. Um ein qualitätsgerechtes Produkt zu erhalten, sollten die Durchmesser kleiner Bohrungen etwas größer als die Wandstärke sein. Ein Richtwert für die minimale Schlitzbreite ist 20% der Wandstärke.

Stäbe

Der minimal mögliche Durchmesser von Stäben ist auf 0,8 mm begrenzt. Ab 1,8 mm sind Messungen wiederholbar und mechanische Eigenschaften ausgeprägt.

Beschriftungen

Um gut lesbare Beschriftungen zu erhalten, sollten Sie eine minimale Schriftgröße von 14 pt vorsehen. Die Zeile ist dann ca. 5 mm breit. Bei eingeprägten Schriften muss die Tiefe in einem angemessenen Verhältnis zur Wandstärke stehen.

Oberflächenbeschaffenheit

Durch SLS hergestellte Werkstücke haben technologisch bedingt eine etwas raue Oberfläche, weil sich die Formen in direktem Kontakt zum losen Pulver ausbilden. Daraus ergeben sich Vorteile für die Handhabung von Gegenständen wie Griffe oder Schutzhüllen. Glatte Oberflächen lassen sich durch eine entsprechende Nachbehandlung herstellen.

Pulverentfernung

Beachten Sie bitte, dass nach dem SLS überschüssiges Pulver entfernt werden muss. Soll das fertige Werkstück vollständig oder nahezu umschlossene Hohlräume enthalten, ist es erforderlich, Schnitte an diesen Stellen vorzusehen und die Teile anschließend zusammenzufügen.

3. Welche Möglichkeiten zur Nachbearbeitung existieren?

Oberflächen glätten

Die Glättung der Oberflächen beim SLS lässt sich durch den Einsatz von Strahlmitteln durchführen. Ebene Flächen können geschliffen werden. Bei komplizierten Oberflächenstrukturen empfiehlt sich das Gleitschleifen (Trowalisieren). Die Werkstücke und Schleifmittel werden zu diesem Zweck gemeinsam in einem Behälter gegeben. Dreh- und Rüttelbewegungen des Behälters bewirken, dass das Schleifmittel die mikrometerkleinen erhabenen Bereiche der Oberflächen abträgt.
Daneben gibt es mittlerweile das chemische Glätten, dadurch kann die Oberfläche mit dem Einsatz von Wärme und einer Chemikalie geglättet werden. Die Oberfläche der Teile wird neu angeordnet und geglättet. Dieser Prozess kann mehrfach ablaufen, führt mit mehreren Durchläufen aber zum Verlust der Detailtreue.

Spanende Nachbearbeitung

Eng tolerierte Bohrungen, Nute, Federn oder Zapfen lassen sich nachträglich auf die erforderliche Genauigkeit bringen. Sie erreichen das durch spanabhebende Verfahren wie Bohren, Fräsen und Drehen der Werkstücke. Eine spanende Nachbearbeitung empfiehlt sich auch, wenn genormte Gewinde in Bohrungen oder auf Zapfen benötigt werden.

Imprägnieren

In den Werkstücken sind beim SLS nach dem Lasersintern feine Poren verteilt, durch die Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten diffundieren können. Dieses Verhalten erweist sich bei vielen Anwendungen als störend. In diesen Fällen lässt sich das Material durch eine Imprägnierung abdichten und versiegeln. Das Imprägniermittel dringt in die Poren ein und verschließt sie dauerhaft.

Lackierung

Zur Verbesserung des optischen Eindrucks oder zum Schutz der Oberflächen vor Umwelteinflüssen lassen sich die durch selektives Lasersintern hergestellten Teile Lackieren. Dazu ist in der Regel eine Vorbehandlung durch Schleifen und Grundieren erforderlich.

Oberflächenbehandlung

Spezielle Methoden der Oberflächenbeschichtung führen zu funktionalen Oberflächen. Beispielsweise lässt sich durch Galvanisieren die elektrische Leitfähigkeit herstellen. Andere Beispiele sind die Erzeugung von bioaktiven Oberflächen für den Einsatz in mikrobiologischen Reaktoren oder das Aufbringen von Antihaftbeschichtungen.

Zusammenfügen von Teilen

Viele Werkstücke bestehen aus Einzelteilen, die gesondert gedruckt und anschließend zusammengesetzt werden. Da beim SLS thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden, lassen sich die Teile durch Schweißen miteinander verbinden. Alternativ können die Teile auch verklebt werden.

4. Wie sind Lasersintermaschinen aufgebaut?

Die Technologie der Lasersintermaschinen ist mit der eines Drucker vergleichbar – sie bestehen in der Regel aus Lasereinheit, Scanner, Pulverkammer mit Hebevorrichtung und Vorrichtung zum Pulverauftrag.

Die Lasereinheit befindet sich mit den benötigten optischen Bauelementen in der Laserkammer. Dort wird der Laserstrahl erzeugt, der das vorgewärmte Pulver örtlich auf seine Schmelztemperatur erhitzt. Die aufgeschmolzenen Teilchen verbinden sich mit den angrenzenden Partikeln zu einem festen Stoff. Schnittstelle zwischen Lasereinheit und Bauraum ist ein Laserfenster, durch das der Strahl die Einheit nahezu verlustfrei verlassen kann.

Der Scanner steuert den Weg des Laserstrahls über das Pulverbett. Dazu bewegt er einen 2D-Galvospiegel, der den Strahl umlenkt. Der Begriff Galvospiegel leitet sich aus dem Antrieb ab, der wie ein Galvanometer zum Messen von Stromstärken aufgebaut ist. Nach jedem Sintervorgang überprüft der Scanner, ob die hergestellte Schicht mit den Vorgaben des Programms übereinstimmt. Ist das der Fall, veranlasst er den Auftrag der nächsten Pulverschicht.

Die Pulverkammer ist der Bauraum, in dem das Sinterteil hergestellt wird. Das Pulver wird dort vorgewärmt, um den Laser bei seiner Arbeit zu unterstützen. Ist ein Schichtaufbau abgeschlossen, senkt die Hebevorrichtung das Pulverbett um 0,1 mm ab.

Die Vorrichtung zum Pulverauftrag sorgt dafür, dass nach jedem Sintervorgang eine neue gleichmäßige Schicht auf der Pulverkammer verteilt wird. Der Auftrag erfolgt durch eine Walze oder einen Rakel ( Recoater), der das Pulver auf den Bauraum schiebt und beim Rückzug überschüssiges Material abstreift.

5. Wie lässt sich überschüssiges Pulver wiederverwenden?

Die Qualität der durch selektives Lasersintern hergestellten Werkstücke hängt eng mit der Beschaffenheit des Pulvers zusammen. Übliche Pulver bestehen aus gleichgroßen kugelförmigen Partikeln mit einem Durchmesser von ca. 60 µm.

Das Freilegen und Säubern der Teile erfolgt optimaler Weise auf einem Siebblech über einem Auffangbehälter. Das überschüssige Pulver beim SLS enthält Partikel, die kaum vom Sintervorgang beeinflusst sind und Bestandteile, die stark von der Wärme belastet wurden. Eine wirtschaftlich vertretbare Trennung erfolgt durch das Aussieben des restlichen Pulvers. Dadurch gewinnt man die Partikel zurück, die den vorgegebenen Durchmesser haben.

Das so gewonnene Pulver hat zwar die erforderliche Korngröße, enthält aber Teilchen mit veränderten physikalischen Eigenschaften. Deshalb wird es vor der Wiederverwendung mit frischem Pulver gemischt. Der Anteil des frischen Pulvers wird als Auffrischungsrate bezeichnet. Sie ist abhängig von der Effektivität der Aufbereitung und liegt zwischen 50 % und 30 %.