Was genau ist der SLS-3D-Druck?

Die Technologien der additiven Fertigung, die unter dem Namen 3D-Druck (3DP) bekannt sind, gelten als die Zukunft des Rapid Prototyping, sowie der kleinen und sogar großen Produktionslinien für die Industrie. Es gibt mehrere Technologien, die sich durch die Merkmale, die sie aufweisen, und die zu verwendenden Materialien unterscheiden. In diesem Artikel erfahren Sie, wie der SLS-3D-Druck funktioniert und welche Unterschiede zwischen den wichtigsten 3D-Drucktechnologien bestehen.

Die Fused Deposition Modeling (FDM) ist die bekannteste Technologie von allen. Dabei handelt es sich um eine Bottom-up-Technik, die auf dem Schmelzen des Filaments und dessen schichtweisem Ablegen auf einem Tisch gemäß dem geschnittenen Modell fußt. Das FDM verwendet hauptsächlich kunststoffbasierte Materialien wie Polylactid (PLA) bzw. Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS).

sls 3d printing
FDM 3D print

Als eine weitere beliebte Technik muss die Stereolithographie (SLA) erwähnt werden. Dabei handelt es sich um das älteste, noch aus den 1970er Jahren stammende 3DP-Verfahren, das auf photochemischer Vernetzung und Aushärtung des Materials mit Hilfe von UV-Lasern beruht. Bei den Materialien, die für diese Art des Druckens geeignet sind, handelt es sich grundsätzlich um Harze, sowohl synthetischer als auch natürlicher Herkunft.

Unter vielen anderen Technologien gibt es eine mit außergewöhnlichem Potenzial, die noch erforscht werden muss. Es handelt sich um das selektive Lasersintern (SLS).

Vergleich der 3D-Druckverfahren

ParameterFused Deposition ModelingStereolithographieSelektives LasersinternSelektives Laserschmelzen
AbkürzungFDMSLASLSSLM
FunktionsprinzipExtrusion von geschmolzenem FilamentUV-HärtungLasersinternLaserschmelzen
Material wird gedrucktThermoplastisches Polymer in Form von Fäden (Filamenten), beispielsweise PLA, ABSHarze/photohärtbare flüssige MaterialienPulverförmige sinterfähige Polymere (z. B. Polyamide, TPU, TPE)Verschiedene Metalllegierungen
Vorteilekostengünstig, schnelle Druckzeithohe Druckauflösung, hohe Prozessautomatisierungkeine Stützstruktur, hochwertiges Prototyping, bewegliche TeileHaltbarkeit der ausgeruckten Teile
NachteileNotwendigkeit von Stützstrukturen thermische Schrumpfung des Filamentsgeringe Materialvielfalthohe Wartungskosten, lange Druckzeitenhohe Kosten
Anwendungenschnelles Prototyping, Ausbildung Kleinserienfertigungkomplexe Prototypen interner Geometrien, DentalmodelleBildung, Funktionsprototypen, medizinische Modelle, Prototyping beweglicher TeileFunktionsteile der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Schichtstärke0.1 – 0.3 mm0.05 – 0.15 mm0.060 – 0.15 mm0.02 – 0.1 mm
Drucken ohne Stützstrukturenneinnicht immer notwendigjanicht immer notwendig
Bedrucken von Objekten mit beweglichen Teilennicht immer erreichbar (geringere Genauigkeit)neinjanein

Die Funktionsweise vom selektiven Lasersintern

Das SLS-Funktionsprinzip ist das Pulversintern mit Hilfe eines Infrarotlasers bei erhöhter Temperatur, wodurch sich die Pulverkörner verfestigen, bevor sie mit dem Laserstrahl gebunden werden. Beim herkömmlichen SLS-Drucker gibt es ein sogenanntes „Bett“, auf dem die Walze eine dünne Pulverschicht aufträgt, gefolgt von einem Sintern gemäß den Schichten, die aus einer 3D-Modelldatei stammen (z. B. einer .stl-Datei (die mittels einer CAD-ähnlichen Designsoftware) entnommen wurden). Ein „Druckkuchen“ von Sinterit Lisa.

Im nächsten Schritt fährt die Plattform ein kleines Stück nach unten, und der Vorgang wiederholt sich, bis die letzte Schicht gebildet ist. Nach dem Prozess kommt die Nachbearbeitung, bei der das Modell aus der ungesinterten Pulversuspension entfernt und gesandstrahlt wird. Hier kommt der eigentliche Vorteil von SLS ins Spiel. Im Gegensatz zu FDM kann bei SLS der 3D-Druck ohne Stützstrukturen im Falle von Modellen mit komplexer Geometrie erfolgen. Schema eines SLS 3D-Druckers ausgehend von der Konstruktion des Sinterit Lisa Druckers.

sls 3d printing
Scheme of a SLS 3D printer basing on the construction of Sinterit Lisa.

Materialien für SLS 3D-Drucker und Ausblick

Somit wirft sich hier eine Frage bzgl. der für SLS verfügbaren Materialien auf. Die Vielfalt ist breit – von verschiedenen Metallpulvern, die hauptsächlich in der Automobilindustrie verwendet werden, bis hin zu Polyamiden (z. B. Sinterit PA12 Smooth – ein Nylon-12-Pulver) und thermoplastischem Polyurethan (TPU) wie Flexa Grey. Alle Pulver können für spezifische Anwendungen verändert werden, sodass jeder die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Modells erreichen kann.

sls 3d printing

Bei SLS haben wir eigentlich mit einer Null-Abfall-Technologie zu tun, bei der das ungesinterte Pulver immer wieder für die nächsten Druckjobs verwendet werden kann. Ein entscheidender Aspekt ist die Art und Weise der Wiederverwendung des gebrauchten Pulvers und seine Neuzuführungsrate (Menge an frischem Pulver, die Sie dem gebrauchten hinzufügen müssen, um die Druckqualität aufrechtzuerhalten). Theoretisch kann man das gleiche Pulver überall mit dem Bruchteil an neuem Pulver immer wieder aufs Neue verwenden.

Einige der Pulverqualitäten können jedoch schnell oxidieren und erfordern das Vorhandensein einer neutralen Gasatmosphäre wie Stickstoff, um die Druckqualität aufrechtzuerhalten. Diese Art von Lösung bietet der Lisa PRO von Sinterit, weil er über die Möglichkeit der Stickstoffaufnahme verfügt.

Hier finden sich zwei Haupttypen von SLS-Druckern: der SLS-Drucker in Industriequalität und der Benchtop-SLS-Drucker. Der Kostenpunkt im Falle der ersten Variante ist enorm hoch (mehrere Tausend Dollar). Die Preise der Benchtop-Geräte sind dafür erschwinglicher. Lisa bzw. Lisa PRO sind schon für ein paar Tausend Dollar zu kriegen.

Zu den Hauptunterschieden gehören das Druckvolumen, die Prozessautomatisierung und Materialauswahl. Die Benchtop-Geräte sind ideal zu Zwecken der akademischen Forschung, des Rapid Prototyping und sogar der Kleinserienproduktion. Das wahre Potenzial von SLS liegt in den neuen Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften (Leitfähigkeit, Hitzebeständigkeit, Wasserabweiskraft, was Sie sich wünschen!). Für viele Zukunftsforscher ist die Additive Fertigung eine Produktionstechnik, die definitiv die Zukunft überholen wird!

Paweł Piszko
Scientific advisor

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