Lasersintern: ein generatives Schichtbauverfahren

Beim Lasersintern oder richtig ausgedrückt Selektives Lasersintern – kurz SLS – handelt es sich um ein generatives Schichtbauverfahren. Dabei wird eine beliebige dreidimensionale Geometrie aus einem Kunststoffpulver mit Hilfe von Laserstrahlen erzeugt. Diese Geometrien, die mit Hilfe von SLS hergestellt bzw. gedruckt werden, können auch Hinterschneidungen aufweisen, die durch konventionelle mechanische oder giesstechnische Fertigung nicht herstellbar sind.

Im Rapid Prototyping stellt das Lasersintern ein beliebtes Verfahren dar, das ermöglicht, selbst komplexe Geometrien herzustellen, ohne das eine Stützstruktur benötigt wird.

Die Geschichte

Entwickelt und patentiert wurde das selektive Lasersintern von Dr. Carl Deckard und Professor Dr. Joe Beaman an der Universität of Texas Austin. Das Projekt wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA – bereits Mitte der 1980er Jahre ins Leben gerufen und finanziert. Deckart meldete Ende der 1980er Jahre das erste Patent unter dem Namen „Methode and apparatus for producing Parts by selective sintering“ an und kurz darauf gründeten die beiden Entwickler die „Desk Top Manufacturing Corporation“ (DTM Corp.).

Allerdings wurde ein ähnlicher Apparat wie der von Deckard und Beaman bereits 1979 von Ross F. Housholder entwickelt und zum Patent angemeldet. Jedoch wurde von ihm auf eine kommerzielle Nutzung seiner Entdeckung verzichtet.

Der Prozess des Lasersintern

Mit Hilfe von einer Walze oder einer Rakel wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial auf eine Bauplattform aufgetragen. Häufig handelt es sich bei diesem Material um Polyamid (zumeist auf der Basis von PA 12, teilweise auch PA 11). Allerdings kommen auch andere Materialen beim Lasersintern zum Einsatz wie Elastomere (bspw. TPU). Zumeist liegt die Schichtstärke um 100µm, wobei diese abhängig ist von dem Drucker sowie den vorgenommenen Einstellungen. Durch einen Laserstrahl werden die Schichten entsprechend der Schichtkontur in das Pulverbett gesintert.

Unter dem Begriff „sintern“ ist folgendes zu verstehen: feinkörnige Stoffe werden bis kurz unter den Schmelzpunkt erhitzt, wodurch sie sich verbinden. Von einem Laser geht beim sintern die notwendige Energie aus, die von dem Pulver aufgenommen wird. Dadurch kommt es zu einem lokal begrenzten Sintern von Partikeln. Dabei nimmt die Gesamtoberfläche ab, da durch den Vorgang des Sinterns, die Pulverzwischenräume und Ähnliches von dem Material ausgefüllt wird.

Die Bauplattform wird nach der Fertigstellung einer Schicht herabgesenkt, um eine neue Pulverschicht aufzubringen. Beim Lasersintern erfolgt die Bearbeitung Schicht für Schicht von unten nach oben. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, auch hinterschnittene Konturen zu erzeugen. Im Pulverbett werden dabei die überhängenden Strukturen stabilisiert, so dass keine Stützstrukturen notwendig sind. Letzteres stellt den wesentlichen Vorteil des Lasersinterns gegenüber anderen Verfahren wie der Stereolithographie oder Polyjet Technologie dar.

Die Lasersinter-Teile können je nach Anwendung nachgearbeitet werden und dafür werden folgende Techniken angewandt:

  • Einfärben
  • Polieren (manuell oder Gleitschliff)
  • Imprägnieren – Wasser – (Nanoseal) oder luftdicht (Epoxid-Infiltration)
  • Lackieren

Wo kommt das Lasersintern zur Anwendung?

Das Lasersintern wird hauptsächlich beim Rapid Prototyping angewendet. Allerdings spielt dieses Verfahren auch immer mehr eine Rolle bei der Herstellung von Kleinserien, da es sich bei Polyamit um ein sehr widerstandsfähiges Material handelt, das in Serienprodukten verwendet werden kann.

Zudem nutzen auch immer mehr Modellbauer das 3D Druck Lasersintern und das aufgrund der Materialeigenschaften von Nylon. In diesem Bereich werden Bauteile für mechanische Komponenten oder Chassis-Teile, wie bspw. für Flugzeugmodelle oder Drohnen hergestellt. Dabei spielt vor allem das geringe Gewicht des Materials, neben der mechanischen Widerstandsfähigkeit, eine wichtige Rolle.

Im Prototypenbau beispielsweise ist PA2200 die „Allzweckwaffe“ wenn es um funktionale oder Design/Konzept-Prototypen geht, denn es ist möglich, diese mit diesem Material zu verwirklichen. Dabei spielen die hohe chemische, mechanischen und die thermische Resistenz sowie die nicht vorhandenen Stützstrukturen eine wichtige Rolle. Somit sind sogar Strukturen druckbar, die mit anderen Verfahren nur schwierig herstellbar sind oder sogar unmöglich sind zu drucken. Daher sind bereits viele Designer auf dieses Verfahren aufmerksam geworden und erstellen ihre Designstudien mit der Hilfe dieser Technologie. Einen ebenso wichtiger Fakt, sind die damit verbundene Designfreiheit und die Kosteneffizienz, die das Lasersintern bietet.

Die Vor- und Nachteile des Lasersinterns

Die Vorteile

  • Stützstrukturen sind nicht notwendig
  • hervorragende Materialeigenschaften, dadurch für viele Prototypen und Bauteile geeignet
  • es können ineinander verzahnte Teile, können in einem Stück gedruckt werden – hier entfällt ein Zusammenbau

Die Nachteile

  • relativ raue Oberfläche – diese kann allerdings gut bearbeitet werden, wobei Polyjet und Stereolithographie glattere Oberflächen erzeugen
  • relativ lange Druckzyklen – im Vergleich zu anderen Verfahren
  • Toleranzen sind höher im Vergleich zum Polyjet-Verfahren und der Stereolithographie

Die Materialien beim Lasersintern

Vor allem kommen Polyamide, Thermoplastisches Polyurethan (TPU) und Polyether Ketone (PEK) in Pulverform beim Lasersintern zum Einsatz. Nur selten werden andere Polyemere, wie bspw. Polystyrol eingesetzt. Häufig kommt bei Metallen das Laserschmelzen (SLM) zum Einsatz.

PA2200 ist das am häufigsten verwendete Polymer beim Lasersintern. Bei diesem Material handelt es sich um ein Feinpulver auf PA 12 Basis, das im Vergleich zum herkömmlichen PA 12 über eine höhere Schmelztemperatur (ca. 184 °C) verfügt und zudem über eine höhere Kristallinität. Verallgemeinert bedeutet eine höhere Kristallinität, dass die Härte zunimmt, aber der Nachteil ist, dass das Material dadurch etwas spröder wird. Grundsätzlich kann PA 12 als sogenanntes Compound verwendet werden, was bedeutet, dass möglich ist, dieses mit Ergänzungsstoffen anzureichern (bspw. Kohlefasern oder Aluminium im Bereich des Lasersinters).

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