Warum DMLS ein zuverlässiges, alternatives additives Verfahren für komplexe Metallteile ist

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) eröffnet eine neue Welt von 3D-gedruckten Metallprototypen und Produktionsteilen. Das Verfahren steht im direkten Wettbewerb zu Metallteilen aus CNC-Bearbeitung und komplexen Herstellungsverfahren für z.B. Gussteile. DMLS eignet sich auch sehr gut zur Reduzierung von einer mehrteiligen Baugruppe auf ein einzelnes Teil.

3D-Druck mittels DMLS

Was macht das DMLS-Verfahren so einzigartig? Beim DMLS wird ein Metallpulver in dünnen Schichten zusammengeschmolzen. Dieses fortschrittliche additive Verfahren ergänzt die CNC-Hochgeschwindigkeitsbearbeitung durch die Herstellung vollständig dichter Teile für den Endgebrauch, die aus einer Reihe von Metallen, wie Aluminium, Edelstahl, Warmarbeitsstahl und Titan, gebaut werden. Kombiniert mit traditionellen Verfahren sind unendliche Möglichkeiten bei der Form und Funktion realisierbar. Unser Design-Tipp erklärt das DMLS-Verfahren und seine Vorteile und bietet Hilfestellungen für das Design von DMLS-Teilen.

Als die Produktion mit direktem Metall-Lasersintern (DMLS) begann, sahen manche Vertreter des Fertigungsbereichs das Ende der traditionellen Bearbeitung besiegelt. Schließlich ist es ziemlich genial, eine Maschine mit Metallpulver zu füllen, eine CAD-Datei zu laden und einige Stunden später ein nagelneues Teil in den Händen zu halten. Wie sollte eine Werkstatt mit einer Maschine konkurrieren können, die wenig Abfall erzeugt, kein Schneidwerkzeug benötigt und deren Einstellung per Knopfdruck erfolgt?

Wie sich herausstellt, sieht die Wirklichkeit des DMLS etwas anders aus als anfangs angenommen. Hierbei kommen keine Replikatoren à la „Star Trek“ zum Einsatz, sondern ein Verfahren, das die traditionelle CNC-Bearbeitung ergänzt. Mit DMLS lassen sich direkt anhand von CAD-Modellen vollständig dichte Metallteile herstellen, die dank der hohen Genauigkeit und Oberflächenqualität sofort einsetzbar sind. Das DMLS kann vor allem dann die Lösung sein, wenn Sie hochkomplexe Teile haben, die nicht maschinell bearbeitbar sind.

Wie auch bei anderen laserbasierten additiven Fertigungsverfahren werden beim DMLS die Teile von unten nach oben gebaut. Hierbei wird ein Ytterbium-Laser eingesetzt, um mikroskopische Körner aus Metallpulver in ziemlich jede vorstellbare Form zu verschmelzen, sofern sie in die Prozesskammer mit etwa der Größe eines Mikrowellenherdes passt.

Wie funktioniert das genau?

Angenommen Sie haben gerade ein 3D-CAD-Modell Ihres Teileentwurfs auf protolabs.com/de-de hochgeladen. Dabei kann es sich um alles Mögliche handeln, wie die Schraube für ein Fischerboot oder den Ansaugstutzen für einen Rennwagen. Die Profis für additive Verfahren bei Protolabs können diesen elektronischen Traum mit ein paar relativ schnellen Schritten in eine physische Realität verwandeln:

Das CAD-Modell wird digital in hauchdünne Schichten zerlegt und es werden ggf. benötigte Stützkonstruktionen entworfen, die den Lasersinterprozess unterstützen. Die Datei wird anschließend auf eine unserer DMLS-Maschinen geladen.
Das Pulverbett wird mit einer von vier hochfesten Legierungen gefüllt: Aluminium, Edelstahl, Warmarbeitsstahl oder Titan. Danach wird eine dünne Schicht des ausgewählten Materials auf der Bauplattform verteilt.
Wenn der Bau beginnt, macht sich ein Hochleistungslaser an die Arbeit und zeichnet die unterste Schicht des Teilesatzes sowie ggf. für den Bauprozess notwendige Stützkonstruktionen.
Eine Rakel trägt eine weitere dünne Schicht Metallpulver über die Teile auf, woraufhin der Laserprozess wiederholt wird.
Nach der Fertigstellung wird das fast fertige Teil aus der Prozesskammer herausgenommen. Die Stützkonstruktionen werden entfernt und die Teile können nach Kundenanforderungen weiterbearbeitet werden.

Illustration of a typical DMLS build process

Die Abbildung zeigt die Funktionsweise eines typischen DMLS-Bauprozesses.

Das ist im Wesentlichen das DMLS-Verfahren. Wie bei jedem anderen additiven Verfahren, hängt die Teilequalität stark von einer soliden Baustrategie ab. Kurze Info für Neueinsteiger: Beim DMLS sind Stützkonstruktionen notwendig, um Merkmale beim Bau des Teils in Position zu halten. Ohne sie können sich flache Bereiche wölben – eine T-Form würde sich in ein Y verwandeln, ein Essteller in eine Backform. Protolabs-Kunden können das Platzieren von Stützkonstruktionen größtenteils den DMLS-Experten überlassen. Sie sollten jedoch wissen, dass ungestützte Oberflächen beim Bau zu Verformungen neigen und eine spätere Nachbearbeitung notwendig wird, um diese Stützen durch Sägen, Schleifen oder Bearbeiten zu entfernen.

Überschüssiges Metallpulver wird vorsichtig von den komplexen Aluminiumteilen entfernt.

Toleranzen und Oberflächenqualität

Die Toleranz der Teile muss beim Design ebenfalls berücksichtigt werden. Das hochauflösende DMLS verwendet eine Schichtdicke von 0,03 mm und ermöglicht die Produktion sehr genauer Teile mit Toleranzen von bis zu +/- 0,1 mm und ähnlichen Oberflächenveredelungen wie beim Sandguss. Wenn Sie eine glattere Oberfläche benötigen, bietet Protolabs eine Reihe von Optionen zur Oberflächenveredelung, wie manuelle Politur, Bearbeitung und Wärmebehandlung, an.

Sollten Sie Bedenken wegen der metallurgischen Eigenschaften von lasergesinterten Teilen haben – nicht nötig. Das DMLS nutzt die Kraft eines Lasers, um einzelne Metallpartikel zu schmelzen. Jeder Durchlauf des Laserstrahls überlappt den vorigen und schmelzt die direkt darunter liegende Schicht an, sodass das Metall zu einer homogenen Masse verschmolzen wird, deren Dichte 99 Prozent im Vergleich zu mit herkömmlichen Methoden geformten Werkstoffen entspricht.

Die Fähigkeit zur Herstellung komplizierter Innen-Merkmale durch schichtweises „Zeichnen“ eröffnet neue Möglichkeiten für zuvor unmögliche Teiledesigns. Komplexe Strukturen und mehrteilige Baugruppen können mittels DMLS deutlich vereinfacht werden. So hat beispielsweise GE Aviation die Teileanzahl in einer Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe mithilfe von DMLS von 18 auf 1 reduziert und geht davon aus, dass bis 2020 mehr als 100.000 lasergesinterte Teile hergestellt werden. Angesichts der Vielzahl an verfügbaren Legierungen wird DMLS zunehmend in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin- und Konsumgüterbranche eingesetzt. Heutzutage werden damit sowohl Prototypen als auch Produktionsteile hergestellt, die von orthopädischen Implantaten und chirurgischen Instrumenten bis hin zu Komponenten von Gasturbinen und Auspuffkomponenten reichen. Was will uns das sagen? Wer die Technik des Metall-Lasersinterns für sich zu nutzen weiß, kann hochkomplexe Metallteile mühelos herstellen und dabei seine Materialkosten insgesamt reduzieren.

Dazu ist es notwendig, die Funktionsweise von DMLS zu verstehen. Da die Teile in Schichten gebaut werden, kommt es auf abgewinkelten Oberflächen zu „Treppenstufen“. So sind beispielsweise die Seiten eines pyramidenförmigen Teils rauer als die eines Würfels. Protolabs versucht, das Teil so auszurichten, dass dieser Effekt möglichst gering ausfällt. Es ist jedoch wichtig, beim Hochladen des Teiledesigns auf kritische Oberflächen oder Merkmale hinzuweisen, damit diese in der horizontalen Ebene des Bauteils untergebracht werden können. Übermäßig dicke Bereiche sollten möglichst vermieden werden, da sich die Bauzeit und Eigenspannungen des Materials dadurch erhöhen. Wenn sehr enge Toleranzen oder Merkmale benötigt werden, sollte der Entwurf zusätzliches Material für nachträgliches Reiben oder Nachbearbeitungsschritte berücksichtigen. Wie immer empfiehlt sich bei auftretenden Fragen ein Gespräch mit einem Protolabs‘ Kundendiensttechniker.

Denken Sie daran, dass DMLS nicht unbedingt eine schnellere und einfachere Alternative zur CNC-Bearbeitung darstellt. Die Teilegröße ist begrenzt, da selbst eine großformatige DMLS-Maschine bei Protolabs bei etwa 250 mm³ an ihre Grenzen stößt. Das Gute daran ist, dass das gesamte Volumen genutzt werden kann. Wenn Sie eintausend mikroskopisch kleine chirurgische Instrumente aus Edelstahl 316 benötigen, können Sie diese mit DMLS in einem einzigen Vorgang bauen. Der Prozess des Schmelzens von Metall in ultradünnen Schichten ist außerdem nicht besonders schnell – unsere Maschinen benötigen hierfür einige Tage. Für viele Teile bleibt die CNC-Bearbeitung die wirtschaftlichste Lösung. In anderen Fällen wiederum kann DMLS eine Reihe von Vorteilen bieten, darunter insbesondere Flexibilität beim Design.

Echte Erleichterung

Sollten Sie darüber nachdenken, DMLS auszuprobieren, hier noch ein kleiner Tipp: Teile können weitaus schneller und deutlich kostengünstiger lasergesintert werden, wenn sie hohl sind. Wenn Sie nicht gerade auf der Suche nach dem teuersten Briefbeschwerer der Welt sind, gibt es keinen Grund, jeden Quadratmillimeter jeder einzelnen Pulverschicht zu sintern, wenn lediglich die Kontur nachgezeichnet werden muss, um die strukturelle Integrität des Teils zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist DMLS eine hervorragende Option für Produktdesigner, die leichte Teile anstreben. Verglichen mit der Bearbeitung, bei der ein leichtes Gewicht die Bearbeitungszeit und -kosten erhöht, ist bei DMLS das Gegenteil der Fall: je leichter das Teil, desto günstiger.

Dies ist ein wichtiger Punkt in der Flugzeug- und Automobilbranche, wo es in Hinblick auf die Kraftstoffeffizienz auf jedes Gramm ankommt. Wie zuvor erwähnt, lassen sich mittels DMLS komplexe Teile aus leichtem Material, wie Aluminium und Titan herstellen.

Auch hier spielt das Teiledesign bei der Ermittlung des besten Verfahrens eine entscheidende Rolle. Aufgrund ihrer komplexen dreidimensionalen Formen eignet sich das Lasersintern gut für kleine chirurgische Instrumente, während Teile mit unkomplizierten Merkmalen – Halterungen, Verteilerblöcke, Elektronikgehäuse und viele andere Komponenten – in kleineren Stückzahlen bequem durch CNC-Bearbeitung hergestellt werden können. Gleich wie Sie sich entscheiden, Protolabs ist bestens ausgerüstet, damit Sie die schöne neue Welt der Metallfertigung entdecken können.

Weitere Informationen zu DMLS erhalten Sie aus unserer umfassenden Infobroschüre zum 3D-Druck oder bei unseren Mitarbeitern des technischen Kundendienstes telefonisch unter +49 (0) 089 90 5002 22 oder per E-Mail an [email protected].