Selektives Lasersintern: Verfahren, Werkstoffe und Konstruktionsregeln

Das Verfahren in Kürze

Selektives Lasersintern gehört zu den pulverbettbasierten Schmelzverfahren. Eine Anlage trägt eine dünne Schicht Kunststoffpulver auf, ein Laser verschmilzt darin den Querschnitt des Bauteils, dann folgt die nächste Schicht. Das nicht verschmolzene Pulver bleibt liegen und stützt das Bauteil. Stützstrukturen müssen deshalb weder konstruiert noch entfernt werden. Das Ergebnis ist ein massives thermoplastisches Bauteil, meist aus Polyamid 12 (PA 12), das als Funktionsprototyp oder als Serienteil eingesetzt wird.

Ablauf des Lasersinterns

1. Datenvorbereitung und Bauraumbelegung

Die 3D-Modelle aller Teile eines Baujobs werden dreidimensional im Bauraum angeordnet. Weil Teile auch übereinander liegen dürfen, enthält ein Baujob meist viele verschiedene Bauteile aus mehreren Aufträgen. Die Packdichte beeinflusst die Kosten je Teil unmittelbar.

2. Vorheizen

Bauraum und Pulver werden bis knapp unter den Schmelzpunkt des Polymers erwärmt. Der Laser muss dann nur noch wenig Energie einbringen. Das verringert Eigenspannungen und Verzug.

3. Schichtweises Sintern

Ein Beschichter trägt eine Pulverschicht auf, typischerweise etwa 0,1 mm dick. Ein CO₂-Laser fährt, über Spiegel gelenkt, die Querschnitte aller Teile in dieser Schicht ab. Die Bauplattform senkt sich um eine Schichtdicke, und der Vorgang wiederholt sich. Ein Baujob läuft viele Stunden ohne Bedienereingriff.

4. Abkühlen

Der Pulverblock mit den eingebetteten Teilen, der sogenannte Pulverkuchen, muss langsam und gleichmäßig abkühlen. Das kann so lange dauern wie der Bauprozess selbst. Wird zu früh ausgepackt, verziehen sich die Teile. Auch deshalb lassen sich Lieferzeiten beim Lasersintern nicht beliebig verkürzen.

5. Auspacken und Nachbearbeiten

Die Teile werden aus dem Pulverkuchen entnommen. Das lose Pulver wird zurückgewonnen und anteilig mit Neupulver wiederverwendet. Anschließend werden die Teile gestrahlt, um anhaftendes Pulver zu entfernen. Weitere Schritte wie Oberflächenverdichtung oder Färben sind möglich.

Werkstoffe

Der Standardwerkstoff ist PA 12. Er lässt sich prozesssicher verarbeiten, nimmt für ein Polyamid wenig Feuchtigkeit auf und bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit. Daneben gibt es PA 11 für höhere Duktilität, glas- oder aluminiumgefüllte PA-12-Typen für höhere Steifigkeit und TPU für flexible Teile. Jedes Pulver erfordert eigene Prozessparameter. Viele Dienstleister verarbeiten daher nur ein oder zwei Werkstoffe.

Die Angaben sind veröffentlichte Orientierungswerte für PA-12-Sinterpulver allgemein. Maßgeblich für die Auslegung ist das Datenblatt des konkret verwendeten Pulvers.

Genauigkeit und Oberfläche

Als allgemeine Toleranz für lasergesintertes PA 12 wird üblicherweise ±0,3 % angegeben, mindestens jedoch ±0,3 mm. Ein Maß von 100 mm liegt demnach typischerweise innerhalb von etwa ±0,3 mm, ein Maß von 200 mm innerhalb von etwa ±0,6 mm. Hauptursache für Abweichungen ist die Schwindung beim Abkühlen. Sie hängt von Geometrie, Wandstärke und Lage im Bauraum ab. Große ebene Flächen verziehen sich am ehesten.

Die Oberfläche ist matt und leicht körnig, weil Pulverpartikel an der aufgeschmolzenen Kontur haften. Schichtlinien sind deutlich weniger sichtbar als bei Teilen aus dem Filamentdruck. Die mechanischen Eigenschaften sind nahezu isotrop. In Baurichtung ist die Festigkeit etwas geringer als in der Schichtebene.

Konstruktionsregeln

Die folgenden Richtwerte sind in der Branche üblich. Die genauen Grenzen hängen von Anlage, Parametern und Geometrie ab.

Da keine Stützstrukturen nötig sind, kosten Hinterschnitte, innenliegende Kanäle, Gitterstrukturen und integrierte Gelenke keinen Aufpreis. Mehrere Funktionen lassen sich in einem Bauteil zusammenfassen.

Kostenfaktoren

Beim Lasersintern fallen keine Werkzeugkosten an. Der Preis eines Teils ergibt sich daraus, wie viel es von einem Baujob beansprucht.

• Bauteilvolumen: die Menge des verschmolzenen Materials.
• Hüllvolumen: sperrige, hohle Formen belegen Bauraum, der für andere Teile fehlt.
• Bauhöhe: die Bauzeit steigt mit der Zahl der Schichten.
• Stückzahl: der Aufwand je Auftrag verteilt sich auf mehr Teile.
• Nachbearbeitung: Strahlen ist Standard, Färben ein zusätzlicher Schritt.

Lasersintern im Vergleich mit anderen Verfahren

Der Vergleich zeigt die übliche Einordnung. In der Praxis entscheidet oft die Stückzahl: Ein Einzelteil mit einfacher Form ist im Filamentdruck günstiger, ein Los aus mehreren Dutzend komplexen Teilen meist im Lasersintern.

Einsatzbereiche und Grenzen

Lasersintern eignet sich für Funktionsprototypen, Gehäuse und Abdeckungen, Halter, Vorrichtungen und Greiferfinger, Luft- und Medienführungen sowie für Kleinserien und Ersatzteile, bei denen sich ein Spritzgießwerkzeug nicht rechnet.

Nicht geeignet ist das Verfahren für transparente Teile, für hochglänzende Sichtflächen ohne zusätzliche Behandlung, für Bauteile, die den Bauraum der Anlage überschreiten, und für hohe Stückzahlen einfacher Geometrien, bei denen Spritzguss je Teil günstiger ist.

Lasersintern bei SLS Market

Wir fertigen aus weißem Nylon PA 12 auf einer EOS FORMIGA P 110 Velocis mit 200 x 250 x 330 mm Bauraum und strahlen die Teile in einer DyeMansion Powershot DUAL. Leistungsumfang, Richtwerte und Bestellablauf finden Sie auf der Seite SLS 3D-Druck Service. Vertiefende englische Beiträge: PA12 Nylon Guide und MJF vs SLS.