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 beliebtesten 3D-Drucktechnologien

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).

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

Parameter	Fused Deposition Modeling	Stereolithographie	Selektives Lasersintern	Selektives Laserschmelzen
Abkürzung	FDM	SLA	SLS	SLM
Funktionsprinzip	Extrusion von geschmolzenem Filament	UV-Härtung	Lasersintern	Laserschmelzen
Material wird gedruckt	Thermoplastisches Polymer in Form von Fäden (Filamenten), beispielsweise PLA, ABS	Harze/photohärtbare flüssige Materialien	Pulverförmige sinterfähige Polymere (z. B. Polyamide, TPU, TPE)	Verschiedene Metalllegierungen
Vorteile	kostengünstig, schnelle Druckzeit	hohe Druckauflösung, hohe Prozessautomatisierung	keine Stützstruktur, hochwertiges Prototyping, bewegliche Teile	Haltbarkeit der ausgeruckten Teile
Nachteile	Notwendigkeit von Stützstrukturen thermische Schrumpfung des Filaments	geringe Materialvielfalt	hohe Wartungskosten, lange Druckzeiten	hohe Kosten
Anwendungen	schnelles Prototyping, Ausbildung Kleinserienfertigung	komplexe Prototypen interner Geometrien, Dentalmodelle	Bildung, Funktionsprototypen, medizinische Modelle, Prototyping beweglicher Teile	Funktionsteile der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Schichtstärke	0.1 – 0.3 mm	0.05 – 0.15 mm	0.060 – 0.15 mm	0.02 – 0.1 mm
Drucken ohne Stützstrukturen	nein	nicht immer notwendig	ja	nicht immer notwendig
Bedrucken von Objekten mit beweglichen Teilen	nicht immer erreichbar (geringere Genauigkeit)	nein	ja	nein

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.

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.

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