Voll funktionsfähige 3D-gedruckte Bauteile durch selektives Lasersintern
Sintern ist der Prozess, bei dem Stücke aus Metall, Keramik und anderen Werkstoffen durch Wärme und/oder Druck zu einer festen Masse verschmolzen werden. Das ist nichts Neues. In der Natur ist ein derartiges Verschmelzen mineralischer Ablagerungen zu Schiefer und Quarzit seit Äonen anzutreffen und Menschen begannen schon vor Jahrtausenden Ziegel und Porzellan mit ähnlichen Verfahren herzustellen. Heute wird das Sintern zur Herstellung aller möglichen Teile verwendet, von Zahnrädern und Pleuelstangen bis hin zu Ritzeln und Lagern. Außerdem wird es für den 3D-Druck von Teilen verwendet.
Selektives Lasersintern (SLS) ist ein naher Verwandter des direkten Metall-Lasersinterns (DMLS), baut aber Teile aus Kunststoff anstatt Metall. Beim SLS kommt ein computergesteuerter CO2-Laser zum Einsatz, während für DMLS ein Nd:YAG-Faserlaser verwendet wird. Beide „zeichnen“ Schichten eines CAD-Modells in einem Werkstoffbett und verschmelzen dabei schichtweise Materialteilchen im Mikrometerbereich.
SLS benötigt keine der beim DMLS typischen Stützstrukturen. Anders als bei der Stereolithographie (SL) – dem dritten lasergestützten additiven Fertigungsverfahren bei Protolabs – stellt SLS unter Verwendung von hochwertigem Nylon voll funktionsfähige Teile her. Es ist im Grunde das einzige additive Fertigungsverfahren, mit dem Filmscharniere und Schnappverbindungen geschaffen werden können (diese Merkmale können zwar auch mit SL produziert werden, das Ergebnis ist aber viel bruchempfindlicher und hat nicht die Lebenserwartung der mit SLS produzierten Teile). SLS ist daher hervorragend zur Fertigung von Prototypen für spätere Spritzgussteile und in einigen Fällen sogar als alternatives Verfahren zur Kleinserienfertigung durch Gießen geeignet.
In Nylon verwurzelt
Wie bei jedem additiven Verfahren ist es auch beim selektiven Lasersintern wichtig, dass man die vielen damit verbundenen Designüberlegungen versteht. Eine davon ist der Werkstoff. Trotz ihres weiten Anwendungsbereichs sind alle SLS-Teile derzeit auf Nylonwerkstoffe beschränkt – denselben Kunststoffen, die in Befestigungselementen, kugelsicheren Westen, Bratpfannen und Tausenden anderen Alltagsgegenständen verwendet werden. Protolabs bietet diese vielseitigen Polymere in verschiedenen Qualitäten an:
- PA 2200 (weiß): Ungefülltem Nylon 12 ähnlich, ist PA2200 sowohl steif als auch hoch belastbar und wird häufig für Luftführungen, Sportartikel und ähnliche Produkte verwendet. Es hat eine saubere, weiße Oberfläche, allerdings mit einer geringfügig raueren Oberflächenstrukturierung als andere Nylonarten. Es bietet hohe Schlagfestigkeit und Temperaturbeständigkeit, ist sehr strapazierfähig und resistent gegen Umwelteinflüsse. Nylon 12 hat auch einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eignet sich daher für viele Arten von Zahnrädern und Lagern.
- Es werden ständig neue Werkstoffe ins Portfolio aufgenommen, um die Vielfalt für unsere Kunden zu verbessern. Das aktuell verfügbare Sortiment von Protolabs finden Sie hier.
Die Steuerung des Bauprozesses
Die von Protolabs angebotenen Nylonwerkstoffe zählen zu den beliebtesten und decken viele verschiedene Anwendungsbereiche ab, obwohl einige mineral- und glasfasergefüllten Varianten nachziehen. Ein effektives Teiledesign umfasst weit mehr als nur die Werkstoffauswahl. Maßnahmen gegen die bei additiven Verfahren typische Wellen während des Baus und Verzug nach dem Bau sind für eine gute Teilequalität von höchster Bedeutung.
Ein Großteil dieser Gegenmaßnahmen fallen Protolabs zu. Um die Teile gerade und genau ausgerichtet zu halten, stellen unsere Techniker Teile in der Baukammer oft ein wenig schräg. Zum Beispiel wird beim Entwurf eines Gehäuses für eine tragbare Videospielkonsole lediglich eine Neigung von 10 bis 15 Grad auf der x- und y-Achse während des Baus benötigt, um die Wände rechtwinklig und den Gehäusedeckel reibungslos passend zu halten. Es muss aber unbedingt beachtet werden, dass es infolge dieser Methode zu einer „Stufenbildung” kommen kann. Es ist daher wichtig, dass Sie kosmetische Oberflächen in Ihrem Entwurf kennzeichnen, bevor Sie ihn zur Angebotserstellung und Analyse an Protolabs senden.
Für besonders komplizierte Teile können Rippen zur Verstärkung großer flacher Oberflächen verwendet werden. Wenn das Design Ihrer tragbaren Spielkonsole einen dünnen Deckel erfordert, wird mit einem Waben- oder Schachbrettmuster an der Innenseite nicht nur der Deckel verstärkt, sondern auch eine Senkung der Materialkosten und eine Reduktion des möglichen Verzugs erzielt.
Es ist nie zu früh, die Formbarkeit zu verbessern!
Viele der beim Spritzguss angewendeten Regeln gelten auch für SLS und machen das selektive Lasersintern daher zur soliden Wahl für Teile, die irgendwann gegossen werden. Die Verwendung von Lochwülsten und Stützstreben und die Vermeidung dicker Querschnitte sind gute Praktiken für jedes dieser Fertigungsverfahren. Weitere Designüberlegungen sind:
- Einfügen von abgerundeten Ecken, wo Wände aufeinandertreffen, um Spannungen zu reduzieren.
- Eine gleichförmige Wandstärke — wir empfehlen zwischen 1,5 mm und 3,8 mm — zur Verringerung der Verformung während des Baus und zur Reduktion des Verwindungspotentials
- Integrieren von Rippen zur Verringerung von Verzug
Wo spritzgegossene Teile umspritzte Metallbuchsen oder Gewindeeinsätze enthalten können, erzielen SLS-Teile eine vergleichbare Funktionalität durch mittels „Heat-Staking“ eingefügter Einsätze. Beim Beispiel der Spielkonsole können Gewindeeinsätze mit entsprechender Wärme- und Druckanwendung als sekundärem Prozess an jeder Gehäuseecke eingefügt werden, um eine feste Baugruppe zu erhalten.
Das Erscheinungsbild
Die mit SLS erzielte Oberflächenbeschaffenheit ist ein wenig rauer als bei anderen additiven Fertigungsverfahren und kann von 100 bis 250 RMS reichen. Sie eignet sich aber immer noch ziemlich gut für die meisten funktionsfähigen Prototypen. Außerdem perlstrahlt Protolabs die meisten Kundenteile, um lose Pulverrückstände zu beseitigen und eine glatte, matte Oberfläche zu erhalten. Sehr feiner Text ist eine weitere Überlegung. Da die minimale Merkmalgröße bei SLS 1 mm beträgt, kommt es bei sehr kleinen Schriftarten oft zur Verstopfung mit Pulver, so dass Buchstaben und Zahlen weniger leserlich werden. Eine Umstellung auf versenkten Text liefert bessere Ergebnisse, ist aber immer noch auf Merkmale begrenzt, die eine Größe von mindestens etwa 0,5 mm haben müssen. Und schließlich ist SLS geringfügig weniger genau als konkurrierende Lasersinterprozesse: wo DMLS erwartete Toleranzen von ±0,1 mm plus zusätzlichen 0,001 mm/mm an Metallteilen sind, betragen die an gut entworfenen Teilen mit SLS erzielbaren Toleranzen ±0,25 mm plus ±0,0015 mm/mm.
Der Vorteil besteht hier darin, dass mit SLS Teile bis zu einer Größe von 676 x 367 x 564 mm möglich sind. Und weil keine Stützstrukturen benötigt werden, kann das ganze Pulverbett genutzt werden, so dass mehrere Teile in einem einzelnen Bau verschachtelt werden können. SLS wird dadurch zu einer soliden Alternative für CNC-bearbeiteten Kunststoff. Es eignet sich als logisches Sprungbrett zu Spritzguss und zur Produktion von funktionsfähigen Nylonteilen in größeren Serien als gewöhnlich mit additiver Fertigung verbunden sind.
Weitere Informationen über SLS finden Sie in den Designempfehlungen von Protolabs. Sie können Fragen gerne auch direkt an einen Kundendiensttechniker richten: E-Mail: [email protected]; Telefon +49 (0) 89 90 5002 22.