Selektives Lasersintern

Datei:Selective laser melting system schematic.jpg

Selektives Lasersintern (SLS)

Eine SLS-Maschine beim Einsatz in Brasilien 2005

Selektives Lasersintern (SLS) ist ein additives Fertigungsverfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern mit einem Laser aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen.

Beschreibung

Vorlage:Hinweisbaustein Lasersintern ist ein generatives Schichtbauverfahren: das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, z. B. Werkstücke, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen.

Wegen des hohen maschinellen Aufwands und insbesondere der vom generierten Volumen abhängenden Prozesszeiten (die im Bereich von Stunden, bei großen Teilen mit hohen Genauigkeitsanforderungen auch von Tagen liegen können) werden die Verfahren besonders zum Fertigen von Prototypen und kleinen Stückzahlen komplizierter Teile verwendet. Der Trend geht allerdings dahin, die Technologie auch als Rapid-Manufacturing- bzw. Rapid-Tooling-Verfahren zur schnellen Erzeugung von Werkzeugen und von Funktionsbauteilen zu nutzen.

Grundvoraussetzung ist, dass die Geometriedaten des Produktes dreidimensional vorliegen und als Schichtdaten verarbeitet sind. Bei der traditionellen Herstellung von Gießformen muss zuerst aus den Geometriedaten ein Gussmodell hergestellt werden, das u. a. das Schwinden des abkühlenden Metalles und andere gießereitechnische Anforderungen berücksichtigt. Für das Lasersintern werden dagegen aus den vorliegenden CAD-Daten des Bauteils (üblicherweise im STL-Format) durch sogenanntes „Slicen“ zahlreiche Schichten erzeugt.

Meist kommt als Laser ein CO₂-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser zum Einsatz.<ref name="LANE-2004">M. Shellabear, O. Nyrhilä: DMLS – Development History And State of the Art (PDF-Datei, 659 kB) von September 2004. Anmerkung: Die Autoren beschreiben im 2. Abschnitt Definitions, dass die Begrifflichkeit DMLS, SLS nicht immer sauber verwendet wurden.</ref> Der pulverförmige Werkstoff ist ein Kunststoff, ein kunststoffbeschichteter Formsand, ein Metall- oder ein Keramikpulver.

Das Pulver wird auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder Walze vollflächig in einer Dicke von 20 bis 100 µm aufgebracht.<ref name="ethz-250011">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:Manfred Schmid|Manfred Schmid: }}{{#if:|{{#if:Additive Fertigung mit Selektivem Lasersintern (SLS), u. a. Kapitel 4.2 und 4.6|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Additive Fertigung mit Selektivem Lasersintern (SLS), u. a. Kapitel 4.2 und 4.6}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.research-collection.ethz.ch/bitstream/handle/20.500.11850/124860/eth-50250-01.pdf?sequence=1&isAllowed=y%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Additive Fertigung mit Selektivem Lasersintern (SLS), u. a. Kapitel 4.2 und 4.6}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.research-collection.ethz.ch/bitstream/handle/20.500.11850/124860/eth-50250-01.pdf?sequence=1&isAllowed=y}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Additive Fertigung mit Selektivem Lasersintern (SLS), u. a. Kapitel 4.2 und 4.6}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:research-collection.ethz.ch2015{{#if: 2024-09-22 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Bei den verwendeten Kunststoffpulvern ist es üblich, diese nicht durch Mahlen herzustellen, sondern direkt als Kügelchen zu polymerisieren, da im Prozess sehr hohe Anforderungen an die Beschaffenheit, wie z. B. die Rieselfähigkeit, des verwendeten Pulvers gestellt werden.

Ein großer Vorteil beim SLS ist, dass Stützstrukturen, wie sie bei vielen anderen Verfahren des Rapid-Prototyping nötig sind, entfallen. Das Bauteil wird während seiner Entstehung stets vom umgebenden Pulver gestützt. Am Ende des Prozesses kann das verbleibende Pulver dann einfach abgeklopft und teilweise für den nächsten Lauf wiederverwendet werden. Eine vollständige Wiederverwendung ist derzeit, besonders bei Kunststoffpulvern, nicht möglich, da diese durch den Prozess an Qualität verlieren.

Eine Sonderform zur Erzeugung von Mikrostrukturen ist das am Laserinstitut der Hochschule Mittweida entwickelte Lasermikrosintern. Hierbei wird ein gütegeschalteter Laser mit kurzen Pulsen verwendet. Das Verfahren kann sowohl in einer Vakuumkammer, wodurch auch Nanopulver verarbeitet werden können, als auch unter Schutzgas oder bei speziellen Metallen unter Luft stattfinden. Eine konstruktive Besonderheit stellen die weltweit patentierten Ringrakel dar, mit deren Hilfe auch extrem dünne Pulverschichten präzise aufgezogen werden können. Durch die Verwendung mehrerer Rakel können Wechsel- und Gradientenschichten erzeugt werden. Die Auflösung des Verfahrens liegt im µm-Bereich bezüglich der realisierbaren Schichtdicken und in ähnlichen Bereichen bezüglich der darstellbaren Geometriedetails. Seit kurzer Zeit ist auch die Verarbeitung keramischer Pulver in hoher Qualität möglich. So wurden mit dem Verfahren auch keramische Zahninlays generiert.

Geschichte

SLS wurde von Carl Deckard und seinem Studienberater Joe Beaman an der Universität von Texas in Austin entwickelt. Gesponsert wurden sie dafür in den 1980er Jahren von DARPA.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:US4863538A - Method and apparatus for producing parts by selective sintering - Google Patents|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=US4863538A - Method and apparatus for producing parts by selective sintering - Google Patents}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://patents.google.com/patent/US4863538%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=US4863538A - Method and apparatus for producing parts by selective sintering - Google Patents}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://patents.google.com/patent/US4863538}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=US4863538A - Method and apparatus for producing parts by selective sintering - Google Patents}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:patents.google.com{{#if: 2023-02-03 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Verwandte Verfahren und synonyme Bezeichnungen

Der Begriff Lasersintern wird uneinheitlich interpretiert. Im akademischen Umfeld wird Lasersintern manchmal definiert als ein die Pulverkörner nur partiell aufschmelzender Prozess, bei dem quasi kein Flüssigphasensinterprozess stattfindet. Tatsächlich hatten solche Prozesse in den späten 1990er und frühen 2000er Jahren eine gewisse Anwendungsbreite und Marktrelevanz. Heute spielen sie kaum noch eine Rolle. In der heute üblichen und etablierten Verwendung steht Lasersintern für Prozesse, bei denen Kunststoff oder Metallpulver schichtweise vollständig und ohne Verwendung von Bindern aufgeschmolzen wird und nach der Erstarrung der Schmelze bzw. Bearbeitung aller Schichten ein homogener Werkstoff hoher Dichte entsteht. Für Metallprozesse findet in Abwandlung auch der Begriff DMLS (Direct Metal Laser Sintering) breite Verwendung,<ref name="LANE-2004"/> der ursprünglich als Markenname eingeführt wurde. Eine weitere synonyme Bezeichnung mit gewisser Verbreitung ist LaserCusing, ebenfalls ein Markenname.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|: }}{{#if:|{{#if:LaserCUSING metal 3D printer from Concept Laser – Metal Industries|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=LaserCUSING metal 3D printer from Concept Laser – Metal Industries}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://research.csiro.au/metals/add-manufacturing/aus-innovation/lasercusing-germany%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=LaserCUSING metal 3D printer from Concept Laser – Metal Industries}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://research.csiro.au/metals/add-manufacturing/aus-innovation/lasercusing-germany}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=LaserCUSING metal 3D printer from Concept Laser – Metal Industries}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:research.csiro.au2015-03-24{{#if: 2024-09-22 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Ausblick

Es wird mit verschiedenen Methoden an der Erhöhung der Baurate – des gesinterten Volumens pro Zeitspanne – gearbeitet. Dazu werden Laserleistungen über 1 kW eingesetzt. Beim Lasermikrosintern wird ein Hochgeschwindigkeitsprozess durch ultraschnelle Strahlablenkung realisiert, wobei Ablenkgeschwindigkeiten von 150 m/s experimentell erreicht wurden. In der Entwicklung befindet sich das Verfahren Elektronenstrahlsintern. Hierbei werden noch höhere Leistungen von bis zu 10 kW eingesetzt. Dies ermöglicht auch die schnelle Verarbeitung hochfester Stähle, vor allem von Werkzeugstählen.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20150527142913

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       | #default= Der Wert des Parameters {{#if: webciteID | webciteID | ID }} muss entweder ein Zeitstempel der Form YYYYMMDDHHMMSS oder ein Schüsselwert mit 9 Zeichen oder eine 16-stellige Zahl sein!Vorlage:Webarchiv/Wartung/webcitation{{#if:  || }}
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  }}{{#ifexpr: {{#if:20150527142913|1|0}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}} <> 1
    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Genau einer der Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive-today', 'archive-is' oder 'archiv-url' muss angegeben werden.|1}}
  }}{{#if: 
    | {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|{{{archiv-url}}}}}
        | web.archive.org = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von Internet Archive erkannt, bitte Parameter 'wayback' benutzen.|1}} 
        | webcitation.org = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von WebCite erkannt, bitte Parameter 'webciteID' benutzen.|1}} 
        | archive.today |archive.is |archive.ph |archive.fo |archive.li |archive.md |archive.vn = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von archive.today erkannt, bitte Parameter 'archive-today' benutzen.|1}}
      }}{{#if: 
         | {{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}
             | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Wert des Parameter 'archiv-datum' ist ungültig oder hat ein ungültiges Format.|1}}
          |  }} 
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Pflichtparameter 'archiv-datum' wurde nicht angegeben.|1}}
      }}
    | {{#if: 
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Parameter 'archiv-datum' ist nur in Verbindung mit 'archiv-url' angebbar.|1}}
      }}
  }}{{#if:{{#invoke:URLutil|isHostPathResource|http://www.industrieanzeiger.de/home/-/article/12503/28847113/Elektronenstrahl-formt-nun-auch-Werkzeugstahl/art_co_INSTANCE_0000/maximized}}
    || {{#if:  || }} URL/Pfad ungültig.
  }}{{#if: Lasersintern wird sich als Fertigungsverfahren etablieren - Elektronenstrahl formt nun auch Werkzeugstahl - Konradin Verlag
    | {{#if: {{#invoke:WLink|isBracketedLink|Lasersintern wird sich als Fertigungsverfahren etablieren - Elektronenstrahl formt nun auch Werkzeugstahl - Konradin Verlag}}
        | {{#if:  || }} Linktext ungültig.
      }}
    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt Linktext fehlt.
  }}{{#switch: 
    |addlarchives|addlpages= {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: enWP-Wert im Parameter 'format'.|1}}
  }}{{#ifeq: {{#invoke:Str|find|http://www.industrieanzeiger.de/home/-/article/12503/28847113/Elektronenstrahl-formt-nun-auch-Werkzeugstahl/art_co_INSTANCE_0000/maximized%7Carchiv}} |-1
    || {{#ifeq: {{#invoke:Str|find|{{#invoke:Str|cropleft|http://www.industrieanzeiger.de/home/-/article/12503/28847113/Elektronenstrahl-formt-nun-auch-Werkzeugstahl/art_co_INSTANCE_0000/maximized%7C4}}%7Chttp}} |-1
         || {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.industrieanzeiger.de/home/-/article/12503/28847113/Elektronenstrahl-formt-nun-auch-Werkzeugstahl/art_co_INSTANCE_0000/maximized }}
              | abendblatt.de | daserste.ndr.de | inarchive.com | webcitation.org = 
              | #default = {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/URL}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Archiv-URL im Parameter 'url' anstatt URL der Originalquelle. Entferne den vor der Original-URL stehenden Mementobestandteil und setze den Archivierungszeitstempel in den Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive.today' oder 'archive-is' ein, sofern nicht bereits befüllt.|1}}
            }} 
       }}
  }}</ref>

Anwendung

SLS wird in vielen unterschiedlichen Gebieten verwendet. Die Anwendungen von SLS umfassen die Bereiche der Prototypentwicklung, Designtests, Werkzeugbau,<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> und Medizin & Pharmazie. In der Medizin wird SLS verwendet, um Objekte wie zum Beispiel medizinische Prototypen und Modelle zu drucken oder zu entwickeln.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

In dem Feld der Pharmazie wird die SLS Technologie zur Entwicklung von Medikamenten untersucht.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Da die meisten Arzneistoffe bei Raumtemperatur als Pulver vorliegen, benötigt die Produktion mittels SLS weder Vorbereitung der Rohstoffe noch Nachbereitung des Drucks. Jedoch besteht eine hohe Gefahr an Kontamination, wenn unterschiedliche Arzneipulver im selben Drucker verarbeitet werden sollen. Darüber hinaus kann es häufig zu fehlerhaften Drucken kommen, da pharmazeutische Substanzen nicht für SLS Prozesse optimiert sind. Aus diesen Gründen wird SLS heutzutage noch nicht für die Arzneimittelherstellung verwendet.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Literatur

Manfred Schmid: Additive Fertigung mit Selektivem Lasersintern (SLS) – Prozess- und Werkstoffübersicht, Springer, 2015.

Weblinks

Manfred Schmid: Additive Fertigung mit Selektivem Lasersintern (SLS), 2015 In: research-collection.ethz.ch (ohne Abbildungen).

Einzelnachweise

Vorlage:Navigationsleiste Additive Fertigungsverfahren

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