Kapitel 2 : Selektives Lasersintern

Die Technik, die als selektives Lasersintern (SLS) bekannt ist, ist eine Form der additiven Fertigung (AM), bei der ein Laser als Energie- und Wärmequelle verwendet wird, um pulverförmiges Material, typischerweise Nylon oder Polyamid, zu sintern. Der Laser wird automatisch auf bestimmte Punkte im Raum gerichtet, die durch ein dreidimensionales Modell definiert sind, und bildet so durch die Bindung des Materials eine feste Struktur. Es gibt einige Ähnlichkeiten zwischen ihm und dem selektiven Laserschmelzen; Beide sind Beispiele für das gleiche Konzept, aber die technischen Details der beiden sind unterschiedlich. SLS ist, wie auch die anderen genannten additiven Fertigungsverfahren, eine relativ neue Technologie, die bis zu diesem Zeitpunkt vor allem für das schnelle Prototyping und für die Herstellung von Bauteilen in bescheidenen Stückzahlen eingesetzt wurde. Die zunehmende Kommerzialisierung additiver Fertigungstechnologien führt zu einer Erweiterung der Produktionsstellen.

Unter der Schirmherrschaft der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) entwickelten und patentierten Dr. Carl Deckard und Dr. Joe Beaman, die als akademische Berater tätig waren, Mitte der 1980er Jahre an der University of Texas in Austin die Technik des selektiven Lasersinterns (SLS). Sowohl Deckard als auch Beaman waren an der Gründung des Start-up-Unternehmens Desk Top Manufacturing (DTM) Corp. beteiligt, das mit dem Ziel gegründet wurde, die SLS-Maschinen zu entwerfen und zu bauen. 3D Systems, der stärkste Rivale der DTM Corporation und der SLS-Technologie, kaufte die DTM Corporation im Jahr 2001. Die SLS-Technologie von Deckard war Gegenstand des jüngsten Patents, das am 28. Januar 1997 erteilt wurde und am 28. Januar 2014 auslief.

Ein Verfahren, das diesem sehr ähnlich war, wurde 1979 von R. F. Housholder patentiert, aber nie kommerziell genutzt.

Die Verwendung von SLS zu Hause ist in der Regel unerschwinglich teuer und potenziell gefährlich, da sie den Einsatz von Lasern mit hoher Leistung erfordert. Der Heimatmarkt für den Druck mit selektivem Lasersintern (SLS) ist aufgrund der damit verbundenen Kosten und potenziellen Gefahren des SLS-Drucks nicht so groß wie der Markt für andere additive Fertigungstechnologien, wie z. B. Fused Deposition Modeling (FDM). Dies ist auf den Mangel an kommerziell erhältlichen Lasersystemen mit Sicherheitsgehäusen der Klasse 1 zurückzuführen.

Die Verwendung eines Hochleistungslasers (z. B. eines Kohlendioxidlasers) zum Verschmelzen mikroskopisch kleiner Partikel von Kunststoff-, Metall-, Keramik- oder Glaspulvern zu einer Masse mit einer bestimmten dreidimensionalen Form ist der Prozess, der an der additiven Fertigungsschichttechnologie beteiligt ist, die als selektives Lasersintern (SLS) bekannt ist. Das Scannen von Querschnitten, die aus einer dreidimensionalen digitalen Beschreibung des Teils (z. B. aus einer CAD-Datei oder Scandaten) auf der Oberfläche eines Pulverbetts gebildet werden, ermöglicht es dem Laser, pulverförmiges Material selektiv zu verschmelzen. Dies wird durch Scannen dieser Beschreibung erreicht. Nach dem Scannen jedes Querschnitts wird das Pulverbett um eine Schichtdicke abgesenkt, eine frische Materialschicht wird auf die vorherige Schicht aufgetragen und der Vorgang wird wiederholt, bis das Teil fertig ist.

Die Verwendung eines gepulsten Lasers ist bei einer SLS-Maschine Standard. Dies liegt daran, dass die Dichte des Endprodukts von der Spitzenleistung des Lasers und nicht von der Laserzeit abhängt. Um es dem Laser zu erleichtern, die Temperatur der Zielbereiche näher an den Schmelzpunkt zu bringen, beginnt die SLS-Maschine mit dem Vorwärmen des Pulvermaterials im Pulverbett auf eine Temperatur, die etwas unter seinem Schmelzpunkt liegt.

Im Gegensatz zu SLA und FDM, die in der Regel die Verwendung spezieller Stützstrukturen erfordern, um überhängende Konstruktionen zu erstellen, benötigt SLS keinen separaten Anleger für Stützmaterial. Das liegt daran, dass das Bauteil, das konstruiert wird, immer von Pulver umgeben ist, das nicht gesintert wurde. Auf diese Weise ist es möglich, Geometrien zu konstruieren, die bisher nicht herstellbar waren. Da die Kammer der Maschine immer mit Pulvermaterial gefüllt ist, hat die Herstellung mehrerer Teile einen deutlich geringeren Einfluss auf die Gesamtschwierigkeit und die Kosten der Konstruktion. Dies ist auf eine Technik zurückzuführen, die als "Nesting" bekannt ist und es ermöglicht, mehrere Teile so zu positionieren, dass sie in die Grenzen der Maschine passen. Obwohl es "unmöglich" ist, ein hohles, aber vollständig geschlossenes Stück mit SLS herzustellen, ist es wichtig zu beachten, dass dies ein Designproblem ist, das beachtet werden sollte. Das Pulver, das nicht innerhalb des Elements sinterte, konnte nicht abgelassen werden, was der Grund dafür ist.

Da die Patente auszulaufen begonnen haben, ist es jetzt möglich, erschwingliche Heimdrucker zu erwerben. Der Erhitzungsprozess stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Der Heizprozess erfordert einen Stromverbrauch von bis zu 5 kW und Temperaturen, die während der drei Schritte des Vorwärmens, Schmelzens und Lagerns vor der Entnahme innerhalb von 2 Grad Celsius gehalten werden müssen. (1) [1] Auf der Wayback Machine wird das Datum 2015-04-28 gespeichert.

Es gibt eine Reihe von Parametern, die die Qualität der gedruckten Strukturen beeinflussen. Zu diesen Faktoren gehören die Eigenschaften des Pulvers, zu denen die Partikelgröße und -form, die Dichte, die Rauheit und die Porosität gehören. Die Fließfähigkeit des Pulvers wird jedoch erheblich von der Partikelverteilung sowie den thermischen Eigenschaften der Partikel beeinflusst.

Polymere wie Polyamide (PA), Polystyrole (PS), thermoplastische Elastomere (TPE) und Polyaryletherketone (PAEK) sind Beispiele für die Arten von Materialien, die für den Einsatz in der Scanning-Laserlithographie (SLS) zugänglich sind. Diese Materialien sind in Pulverform erhältlich und im Handel erhältlich. Denn Polyamide weisen als teilkristalliner Thermoplast ein entsprechendes Sinterverhalten auf, was zu Teilen mit wünschenswerten mechanischen Eigenschaften führt. Polyamide sind die am häufigsten verwendeten Werkstoffe für das selektive Lasersintern (SLS). Solche amorphen Polymere, die mit SLS verarbeitet werden, führen jedoch tendenziell zu Teilen mit verminderten mechanischen Eigenschaften und Maßgenauigkeit und sind daher auf Anwendungen beschränkt, bei denen diese Eigenschaften von geringer Bedeutung sind. Polycarbonat (PC) ist ein Material, das aufgrund seiner hohen Zähigkeit, thermischen Stabilität und Flammbeständigkeit für das selektive Lasersintern (SLS) von großem Interesse ist. Seit der Erfindung des selektiven Laserschmelzens ist die Verwendung von Metallwerkstoffen beim selektiven Lasersintern (SLS) seltener geworden.

Pulverpartikel werden typischerweise durch kryogene Vermahlung in einer Kugelmühle bei Temperaturen hergestellt, die deutlich unter der Glasübergangstemperatur des Materials liegen. Diese Temperatur kann erreicht werden, indem der Mahlprozess mit zusätzlichen kryogenen Materialien wie Trockeneis (Trockenmahlen) oder Gemischen aus flüssigem Stickstoff und organischen Lösungsmitteln (Nassmahlung) durchgeführt wird. Das Verfahren hat das Potenzial, Partikel mit einem Durchmesser von nur fünf Mikrometern herzustellen, die kugelförmig oder unregelmäßig geformt sein können. Im Allgemeinen sind die Größenverteilungen von Pulverpartikeln Gauß und können einen Durchmesser von 15 bis 100 Mikrometern haben. Dies kann jedoch modifiziert werden, um eine Vielzahl von Schichtdicken beim SLS-Verfahren aufzunehmen. Nach der Verarbeitung des Pulvers können chemische Bindemittelbeschichtungen auf die Pulveroberflächen aufgebracht werden. Diese Beschichtungen dienen der Erleichterung des Sinterprozesses und sind besonders nützlich für die Bildung von Verbundwerkstoffteilen, wie z. B. solchen, die aus Aluminiumoxidpartikeln bestehen, die mit duroplastischem Epoxidharz beschichtet wurden.

Aufgrund der Reaktion des Materials, seine Oberflächenenergie zu senken, findet das Sintern in SLS weitgehend im flüssigen Zustand statt. Denn die Pulverpartikel erzeugen an der Oberfläche eine Mikroschmelzeschicht, die zu einem Abfall der Viskosität und dem Aufbau einer konkaven radialen Brücke zwischen den Partikeln führt. Dieses Phänomen wird als Necking bezeichnet. Bei beschichteten Pulvern dient der Einsatz des Lasers dem Ziel, die Oberflächenbeschichtung aufzuschmelzen, die dann als Bindemittel fungiert. Der Festkörper-Sinterprozess, der bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts des Materials stattfindet, ist ein weiteres Element, das zu diesem Phänomen beiträgt, aber sein Einfluss ist deutlich weniger bedeutend. Auch hier ist die Reaktion des Materials zur Absenkung seines freien Energiezustands, die letztendlich zur Diffusion von Molekülen zwischen den Teilchen führt, der primäre treibende Faktor hinter dem Prozess.

Die Fähigkeit der SLS-Technologie, komplizierte Geometrien mit wenig bis gar keinem zusätzlichen Fertigungsaufwand zu erstellen, hat aufgrund ihrer weit verbreiteten Anwendung zu einer breiten Einführung in einer Vielzahl von Branchen geführt. Die Prototypenteile, die in den frühen Phasen des Designzyklus verwendet werden, sind die Orte, an denen sie am häufigsten verwendet werden. Beispiele für solche Prototypenteile sind Feingussmodelle, Automobilbeschläge und Windkanalmodelle. Darüber hinaus wird SLS schnell in der Kleinserienproduktion eingesetzt, um Endverbrauchskomponenten für elektronische Hardware, Luft- und Raumfahrthardware, militärische Hardware, medizinische Hardware und pharmazeutische Hardware herzustellen. SLS kann in einer Werkstatt...