Die Evolution des selektiven Lasersintern [SLS]: Neue Technologien, Materialien und Anwendungen
02 Februar 2020
[Bildnachweis: 3D Hubs]
Selektives Lasersintern (SLS) ist eine der beliebtesten Polymer-3D-Drucktechnologien für industrielle Anwendungen. Seit seiner Entstehung vor mehr als 30 Jahren hat sich SLS allmählich zu einer Technologie entwickelt, die funktionale Prototypen und in jüngerer Zeit auch die Produktion ermöglicht.
Ausschlaggebend für diese Entwicklung sind die ständigen Innovationen im Bereich Hardware und Materialien sowie die Bereitschaft von den Anwendern der Technologie, neue SLS-Anwendungen zu entwickeln.
In dem heutigen Artikel werfen wir einen Blick auf die jüngsten Entwicklungen bei SLS, um mehr über die aktuellen Fähigkeiten und zukünftigen Möglichkeiten der Technologie zu erfahren.
Die Entstehung von SLS
Das Lasersintern verwendet einen Hochleistungslaser, um puderförmige Materialien schichtweise zu verschmelzen. Einer der Hauptvorteile des SLS-Drucks besteht darin, dass die Designs keine Stützstruktur benötigen. Während des Druckvorgangs werden alle Hohlräume automatisch mit nicht verwendetem Puder gefüllt, sodass die SLS-Drucke selbsttragend sind.
Während das Konzept des SLS-Drucks ursprünglich in den frühen 1980er Jahren entwickelt wurde, wurde der erste industriereife SLS Drucker erst 1992 auf den Markt gebracht, die DTM Sinterstation 2000. Diese wurde später mit 3D Systemen fusioniert. 1994 folgte der EOSINT P350 von EOS.
Seitdem ist eine breite und stetig wachsende Palette von Maschinen auf den Markt gekommen und markiert den Beginn der Ära des schnelleren und umfangreicheren Druckens im industriellen Kontext.
Bemerkenswerte Entwicklungen der SLS-Hardware
Die Entwicklung der SLS Technologie von EOS
Das deutsche Polymer und Metall 3D-Druckunternehmen EOS ist vielleicht der größte SLS Spezialist auf dem Markt. Im Jahr 2016 gab das Unternehmen an, weltweit rund 3000 Einheiten installiert zu haben, von denen 51 Prozent SLS Systeme sind.
In seiner 30-jährigen Geschichte hat EOS die SLS Anwendung zu einer ausgereiften Technologie weiterentwickelt, die für verschiedene Anwendungen, sowohl im Prototyping als auch in der Produktion, geeignet ist.
Ein Meilenstein auf diesem Weg war die Einführung der FORMIGA P 100 im Jahr 2006. Das System setzte auch noch viele Jahre nach seiner Einführung Maßstäbe für die Qualität des industriellen 3D-Drucks im Kunststoffbereich.
2012 brachte EOS einen Nachfolger der FORMIGA 100 auf den Markt, die FORMIGA P 110, die in der Druckerhandbuch 2018-Umfrage von 3D Hubs als beste Lasersintermaschine ausgezeichnet wurde.
Mit einer Gesamtaufbaugröße von 200 × 250 × 330 mm ermöglichte der P 110 kostengünstigere Druckvorgänge mit geringen Auflagen und wurde für mittelgroße Prototypenaufbauten und Teile mit hochkomplexen Geometrien verwendet.
Bei 2018 wurde der P110 zum FORMIGA 110 Velocis weiterentwickelt. Er verfügt über ein verbessertes, beschleunigtes Heizsystem und einen verbesserten Wiederbeschichtungsprozess und verwendet eine Softwaresteuerung, die Polymermaterialien mit einem 30W Laserstrahl mit einer höheren Geschwindigkeit vorwärmt.
Mit zusätzlichen technischen Verbesserungen und einigen Verfeinerungen erzielt der Velocis nicht nur eine Produktivitätssteigerung von bis zu 20 Prozent sondern auch eine bessere Temperaturverteilung der Baufläche, was zu einer homogeneren Teilequalität führt.
Hochtemperatur SLS
Während das in SLS am häufigsten verwendete Material weiterhin Nylon ist, wollte EOS auch die Verarbeitung fortgeschrittener Materialien wie PEEK ermöglichen, für deren Druck typischerweise hohe Temperaturen erforderlich sind.
Das Ergebnis war die erste Hochtemperatur SLS-Plattform, die EOSINT P 800, die 2008 vorgestellt wurde. Sie kann Polymere bis zu einer Temperatur von etwa 385 ° C verarbeiten und hat die SLS-Technologie auf eine Reihe von neuen Thermoplasten erweitert, nämlich PEEK.
10 Jahre später erweiterte EOS sein Angebot an Hochtemperatur 3D Druckern um die EOS P 810. Das neue System soll das weltweit erste Hochtemperatur Lasersinter System sein, das für ein kohlefaserverstärktes PEKK Material optimiert ist.
Kontinuierliche Innovation: FDR und LaserProFusion Technologien
Die Verbesserungen und Innovationen von EOS auf dem Gebiet der SLS-Technologie dauern an. Auf der diesjährigen Formnext stellte EOS beispielsweise seine polymerbasierte 3D Drucktechnologie mit feiner Detailauflösung (FDR) vor. Das neue Verfahren verwendet einen CO2 Laser, um empfindliche und dennoch robuste Polymerbauteile mit feiner Detailauflösung und einer Mindestwandstärke von 0,22 mm in 3D zu drucken.
EOS ist nach eigenen Angaben der erste Hersteller, der eine CO-Laserlösung für den puderbasierten industriellen 3D Druck entwickelt hat. Die meisten aktuellen SLS-Maschinen verwenden einen oder mehrere CO₂-Laser.
Der CO2 Laser erzeugt einen ultrafeinen Laserstrahl mit einem Fokusdurchmesser, der angeblich nur halb so groß ist wie der Laserstrahl der derzeitigen SLS Technologien. Eine wichtige Konsequenz dieser zusätzlichen Präzision sind die neuen Belichtungsparameter, die zu Teilen mit extrem feinen Oberflächen führen können.
Mit der neuen Technologie könnten Filtereinheiten und Flüssigkeitskanäle, Stecker und andere elektronische Komponenten sowie Verbrauchsgüter wie z. B. Brillen in 3D gedruckt werden.
Während sich die FDR-Technologie auf empfindliche Komponenten konzentriert, ist die LaserProFusion Technologie eine weitere, noch zu kommerzialisierende Lösung von EOS, die auf die maximale Produktivität ausgelegt ist.
EOS wird das LaserProFusion-System mit bis zu 1 Million Diodenlasern ausstatten, die in der Lage sind, mehr als 5 Kilowatt akkumulierte Laserleistung zu erzeugen. Diese Technologie zielt in erster Linie darauf ab, die Anforderungen der Serienproduktion zu erfüllen, und EOS gibt an, dass sie in vielen Anwendungen als Alternative zum Spritzgießen eingesetzt werden kann.
Seit der Einführung des ersten SLS 3D Druckers vor 26 Jahren ist EOS einer der Hauptantriebskräfte für die bemerkenswerten Fortschritte in der SLS-Technologie. EOS verfolgt kontinuierlich die Vision von SLS als eine Serienlösung, die langsam zur Realität wird.
Farsoons Fiber Light Technologie [Flight]
Ein weiteres Unternehmen, das die SLS-Technologie revolutionieren will, ist Farsoon. Um SLS noch schneller und genauer zu machen, nutzt Farsoon in seiner neuen Flight Technologie die Leistung eines Faserlasers aus.
Während die aktuelle SLS-Maschinen CO₂-Laser verwenden, hat der chinesische 3D-Druckerhersteller den Standard-CO₂-Laser durch einen Faserlaser ersetzt.
Ein Faserlasersystem kann dem Puderbett mehr Leistung zuführen und die Energieverteilung auf das Material verbessern. Dies liegt daran, dass ein Faserlaserstrahl eine kleinere Laserpunktgröße ermöglicht. Dies führt zu einer höheren Leistungsdichte, wodurch das Pulver innerhalb kürzester Zeit gesintert werden kann.
Neben einem Faserlaser hat Farsoon auch ein neues Scansystem entwickelt, das eine Scangeschwindigkeit von über 20 m/s ermöglicht. Dies ist ungefähr viermal so viel wie bei vergleichbaren Technologien. Darüber hinaus ermöglicht die zusätzliche Leistung des Lasers Funktionsdetails von nur 0,3 mm Größe.
Die Flight Technologie wurde entwickelt, um die Einführung des SLS-3D-Drucks für die Massenproduktion voranzutreiben und ist mit Sicherheit ein Schritt in diese Richtung.
SLS 3D-Druck mit zwei Pudern
Während sich EOS und andere etablierte SLS-Unternehmen hauptsächlich auf lineare Innovationen konzentrieren, hat das belgische Start-up Aerosint einen radikalen Ansatz verfolgt, um ein SLS-System zu entwickeln, das mit zwei verschiedenen Puder drucken kann. Dadurch kann die Maschine eines der Puder als kostengünstiges Trägermaterial verwenden.
Normalerweise ist das ungeschmolzene Trägerpuder in einer SLS-Maschine dasselbe Material, wie zum Bedrucken eines Teils verwendet wird, und somit tendenziell teuer. Dies wäre natürlich kein Problem, wenn das Puder zu 100% wiederverwendet werden könnte, was derzeit unmöglich ist.
Ein Grund dafür ist, dass beim SLS-Verfahren Polymere für lange Zeiträume starker Hitze ausgesetzt werden und so chemischen Veränderungen unterliegen, die ihre Sintereigenschaften viel weniger vorhersehbar machen. Gegenwärtig besteht die einzige Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, darin, “gebrauchtes, aber nicht verschmolzenes” Puder mit etwa 50% reinem Puder zu mischen, um es dann wiederzuverwenden.
Nach Schätzungen eines Dienstleisters wird aus den 500 kg Puder, die er pro Monat kauft, 25% für Teile verwendet, 25% ist Abfall und 50% werden zum Auffrischen des nächsten Builds wiederverwendet.
Die Einführung einer Maschine, die billiges Trägermaterial und ein zweites Material für den Teiledruck verwenden kann, könnte für Benutzer von SLS-Prozessen eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten.
Die Aerosint-Technologie Selective Powder Deposition (Selektive Puderabscheidung) erreicht dies, indem das Pudermaterial selektiv von einer rotierenden Trommel abgeschieden wird, die über eine Aufbaufläche läuft. Eine Trommel legt ein Material ab, so dass mindestens zwei Trommeln verwendet werden, um eine Mehrfachpuderabscheidung zu erzielen.
Die Aerosint-Technik arbeitet von Haus aus linienweise und erreicht Druckgeschwindigkeiten von bis zu 200 mm/s. Diese Geschwindigkeit ist vergleichbar mit der heutigen SLS-Überstreichgeschwindigkeit.
Die Reifung dieser Technologie wird den Herstellern eine Fülle von Möglichkeiten eröffnen, einschließlich der Vorteile einer Verringerung des Puderabfalls, der Einsparung von Materialkosten und einer Verkürzung der Nachbearbeitungszeit.
SLS 3D Drucker in einem kompakteren Format
Im Jahr 2014 gab es eine neue Gruppe von Unternehmen auf dem SLS Markt, die das Ablaufen des ursprünglichen SLS Patents nutzten und danach strebten, die Technologie erschwinglicher zu machen.
Diese Verlagerung führte zu der Entwicklung von SLS 3D Tischdruckern, die zwar nicht klein genug waren, um als „Desktop“ bezeichnet zu werden, aber kompakt genug, um auf eine Werkbank in einer Werkstatt zu passen. Das Aufkommen von Benchtop 3D-Druckern öffnete die Technologie für Prosumer und kleine Unternehmen, die möglicherweise nicht über das Geld oder den Platz für ein industrielles SLS-System verfügen.
Die Start-ups wie Sinterit, Sharebot, Sintratec und in jüngerer Zeit auch Formlabs sind in das Rennen um den kompakten SLS-3D-Druck eingestiegen.
Sharebot war das erste Unternehmen, das mit SnowWhite eine SLS-Maschine auf den Markt brachte, die erstmals in 2016 an Kunden ausgeliefert wurde. Im Gegensatz zu den Systemen von Sintratec und Sinterit, die mit Diodenlasern ausgestattet sind, verfügt SnowWhite über einen leistungsstärkeren CO2 Laser wie er häufig auf den High-End Profimaschinen installiert wird.
Der Laser und ein kleines Bauvolumen von 100 x 100 x 100 mm, dass das Drucken mit nur 300 g Puder ermöglicht, machen das SnowWhite-System besonders für Materialentwicklungsanwendungen geeignet.
Ein weiterer wichtiger Akteur auf diesem Gebiet ist das polnische Unternehmen Sinterit mit seinem System Sinterit Lisa, das in diesem wachsenden Marktsegment weiterhin führend ist. Bereits ab 6.990 Euro bietet Sinterit Lisa ein Bauvolumen von 150 x 200 x 150 mm und eine Schichtauflösung von mindestens 0,075 Mikrometern. Damit eignet es sich für kleine Unternehmen, die einen Einstieg in die SLS-Technologie suchen, ohne zu viel Kapital in sperrige Geräte investieren zu müssen.
Im vergangenen Jahr stellte das Unternehmen auch den Sinterit Lisa Pro vor, seinen neuesten SLS-3D-Tischdrucker.
Eine potenzielle bedeutende Innovation in diesem Segment könnte auch Fuse 1 sein, ein SLS 3D Drucker, der 2017 vom Marktführer für Desktop-Stereolithografie, Formlabs, angekündigt wurde, rund 10.000 US-Dollar kosten und Mitte 2020 in den Handel kommen soll.
Die Flut billigerer Desktop FDM und SLA / DLP 3D Drucker zu Beginn des ersten Jahrzehnts verursachte ein Aufrühren in der Branche und trug erheblich zum Wachstum der AM Branche bei. Die kostengünstigen SLS Systeme stehen erst am Anfang dieser Reise und könnte einen ähnlichen Weg einschlagen. Dies wird die Reichweite von SLS letztendlich auf ein breiteres Spektrum von Branchen und Anwendern ausweiten.
Die Entwicklung von SLS Materialien
Der erste SLS 3D Druckmaterial, das am häufigsten verwendet wird, ist Nylon, ein beliebter technischer Thermoplast, der für sein geringes Gewicht, seine Festigkeit und Haltbarkeit gelobt wird. Nylon, auch als Polyamid (PA) bekannt, ist gegen Stöße, Chemikalien, Hitze, UV-Licht, Wasser und Schmutz beständig und eignet sich daher sowohl für das Rapid Prototyping als auch für die Produktion.
Nylon ist bis heute das beliebteste SLS Material. Der technologische Fortschritt und die Entwicklung von 3D-Druckmaterialien ermöglichten jedoch auch die Entwicklung von Verbundwerkstoffen auf Nylonbasis. Materialien, die mit Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aluminium gemischt wurden, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Polyamid weiter zu verbessern.
Neben Nylon können die heutigen SLS 3D Drucker auch PEEK, PEKK, flexible TPUs, flammhemmende Polymere und antistatische Polymere verarbeiten. Die Möglichkeit, Hochleistungswerkstoffe zu verarbeiten ist eng mit technologischen Innovationen verbunden. Genauso wie im EOS-Beispiel musste das Unternehmen zunächst einen Hochtemperatur 3D Drucker erstellen, bevor Materialien wie PEEK gedruckt werden konnten.
Neue SLS Materialien
Erfreulich ist auch die stetige Entwicklung neuer Materialien für SLS.
Das italienische 3D-Druckunternehmen CRP Technology, das für seine Marke Windform bekannt ist, ist möglicherweise einer der wichtigsten unabhängigen Entwickler von SLS Materialien. Das Unternehmen bietet eine Reihe von Verbundwerkstoffen auf Nylonbasis und gummiartigen Kunststoffpudern an.
Das Windform Sortiment wurde zuletzt um die Windform FR1 und Windform FR2 erweitert, flammhemmende Verbundwerkstoffe, die für Flugzeuganwendungen geeignet sind wie z. B. Teile im Innenraum wie Cockpitkomponenten, Luftkanäle und Luftauslassventile und Transportteile wie Gehäuse- und Gehäusebaugruppen, sowie Konsumgüter und Elektronikteile (Beleuchtungen und Geräte).
Auch das Chemieunternehmen DSM hat kürzlich die Entwicklung von Materialien für SLS vorangetrieben. Dies führte zu einem Polybutylenterephthalat (PBT) Puder, das letztes Jahr veröffentlicht wurde. DSM gibt Interessanterweise an, dass das Material tatsächlich das erste PBT Puder ist, das im Handel für den SLS 3D Druck erhältlich ist. PBT ist ein thermoplastisches technisches Polymer, das aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften in der Elektronikindustrie Anwendung findet.
Darüber hinaus bietet Forward AM, eine Tochtergesellschaft des Chemiekonzerns BASF, eine Reihe von SLS Materialien unter der Marke Ultrasint an. Das schwer entflammbare Ultrasint Polyamid PA6 Black FR ist das neueste Material in dieser Reihe und zeichnet sich durch hohe Steifheit und gute Wärmebeständigkeit aus. Laut Forward AM wurden mit diesem Material bereits neue Komponenten für Fahrzeuge hergestellt, die den Anforderungen der Brandschutzbestimmungen in der Automobilindustrie entsprechen.
Sowohl BASF als auch DSM haben kürzlich SLS 3D Drucker vom französischen Hersteller Prodways erworben. Mit einer erhöhten SLS Kapazität können die beiden Chemieunternehmen die Entwicklung fortschrittlicher Materialien für den SLS 3D Druck beschleunigen.
Nachbearbeitung bei SLS
Die SLS Technologie macht zwar das Entwerfen und Entfernen von Stützstrukturen überflüssig, ist jedoch bei der Nachbearbeitung nicht ohne Probleme. Die größte davon ist die Notwendigkeit, das überschüssige Puder, das auf der Oberfläche eines Teils verbleibt und manchmal sogar in einem Teil eingeschlossen ist, zu entfernen.
Gegenwärtig werden diese Herausforderungen durch manuelles Waschen und Reinigen sowie durch traditionelle Techniken wie Perlenstrahlen und Schleudern gelöst.
Diese Verfahren erfordern jedoch viel manuelles Eingreifen, wodurch das Risiko einer Beschädigung der zerbrechlichen Geometrien und der Erzeugung inkonsistenter Endteile erhöht wird.
Wenn es um die Oberflächenbearbeitung geht, werden die SLS Teile häufig durch Schleifen und durch die Verwendung von halbautomatischen Geräten geglättet, die normalerweise nicht für den 3D-Druck ausgelegt sind. Diese Ansätze sind nicht praktikabel genug, um die Funktionen eines SLS Druckers voll auszunutzen und auf größere Produktionsvolumina zu skalieren.
Glücklicherweise konzentrieren sich mehrere Branchenakteure darauf automatisierte Lösungen für die Nachbearbeitung von SLS-Teilen zu entwickeln.
PostProcess Technologies bietet beispielsweise Lösungen in Puderform mittels der Thermal Atomized Fusillade (TAF) Technologie an, bei der zwei senkrechte einachsige Strahlströme aus Druckluft, Reinigungsmittel und suspendierten Feststoffen, unter Verwendung einer 360° Drehung des Teils zur maximalen Offenbarung der Oberfläche, für gezielte Strahlsequenzen sorgen.
Das britische Unternehmen AMT wird im Laufe dieses Jahres eine automatisierte Lösung für das Entpudern auf den Markt bringen.
Letztendlich wird die Umstellung von manuellem auf automatisiertes Entpudern dazu beitragen, den Arbeitsablauf beim SLS 3D Druck erheblich zu optimieren, indem nicht nur die manuelle Arbeitszeit reduziert wird, sondern Unternehmen auch die Möglichkeit erhalten, ihre SLS-Produktion effizienter zu skalieren.
SLS Anwendungen: Mehr Verwendung in der Produktion
Während die SLS-Technologie weiterhin im Prototyping eingesetzt wird, wird sie zunehmend auch für Funktionsteile sowie für Produktionsanwendungen verwendet.
Luft und Raumfahrt
Beispielsweise wird SLS in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet, um Innenteile von Flugzeugen herzustellen. Ein typisches Beispiel hierfür ist Emirates, die größte Fluggesellschaft in den VAE. Die Fluggesellschaft verwendet den 3D Druck, um Komponenten für Flugzeugkabinen herzustellen, darunter Videoüberwachungsblenden und Lüftungsgitter. Letztere wurden bereits für Versuchseinsätze an Bord von Emirates Flugzeugen zertifiziert und installiert.
Emirates arbeitet mit 3D Systems zusammen, um die Videoüberwachungsabdeckungen unter Verwendung der SLS Technologie und des Nylonmaterials DuraForm ProX FR1200 von 3D Systems herzustellen, das den von der Luft und Raumfahrtindustrie geforderten Brandschutzbestimmungen für Innenraumteile der Kabine erfüllte.
Konsumgüter
In der Konsumgüterindustrie ist Chanel der Vorreiter bei der Verwendung des SLS 3D Drucks für Wimperntuschebürsten. Die Marke druckt nun in Zusammenarbeit mit dem französischen 3D Druckdienstleister Erpro Group Millionen von Wimperntuschebürsten in 3D.
Mithilfe der SLS-Technologie wurde das Design der Bürste optimiert. So verbessert beispielsweise die raue, körnige Textur, die mit der SLS-Technologie erzielt wird, die Haftung der Wimperntusche an den Wimpern.
Neben Schönheitsprodukten wird SLS zunehmend im medizinischen Bereich und in der Schuhbranche eingesetzt, um maßgeschneiderte Einlegesohlen und Sandalen herzustellen.
Motorsport
Im Motorsport kann die Technologie die Rennställe dabei unterstützen, Fahrzeugdesigns zu verbessern und schneller zu testen, als dies mit herkömmlichen Technologien möglich wäre.
Das Alfa Romeo Sauber F1 Team ist ein gutes Beispiel dafür, wie ein Motorsportunternehmen den SLS 3D Druck nutzen kann.
SLS wird hauptsächlich für die aerodynamische Entwicklung des Alfa Romeo F1 im Windkanal sowie für eine Vielzahl von Laminier Formen, Kernen und komplexen Serienteilen eingesetzt.
Sie verwenden während der Produktion ein von Sauber Engineering entwickeltes pulverbasiertes Material, das eingesetzt wird, wenn besonders leichte und steife Bauteile erforderlich sind, von der F1-Bremsbelüftung und Karosserieteilen für vorproduzierte Fahrzeuge und Prototypen hin bis zu einer Vielzahl von vorgefertigten Bauteilen und Konstruktionselementen
Der Himmel ist die Grenze für SLS-Anwendungen. Angesichts der jüngsten Entwicklungen bei SLS-Materialien und der SLS Technologie trifft diese Aussage ganz besonders zu.
SLS: Eine der besten Möglichkeiten für den 3D-Polymerdruck
Der SLS-3D-Druckmarkt befindet sich in einer kontinuierlichen Entwicklung. Die Technologie wird durch die Einführung kompakter und erschwinglicher Tischsysteme demokratisiert. In der Zwischenzeit haben sich die Hersteller von SLS Industrieanlagen verstärkt auf Lösungen konzentriert, die dabei helfen, SLS als Produktionswerkzeug zu etablieren.
Infolgedessen nimmt das mit der SLS Technologie erzielte Projektvolumen stetig zu.
Ein Beweis dafür ist die Tatsache, dass laut Sculpteos Bericht 2019 mehr als 75 Prozent der 3D Druckprojekte SLS Methoden verwendeten. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, dass SLS als eine der besten Optionen für den 3D-Polymerdruck gilt. Wir glauben, dass dies auch in naher und ferner Zukunft so bleiben wird.
Wenn Sie mehr über die SLS Technologie erfahren möchten, dann sollten Sie unser White Paper über die stetig wechselnde Rolle von SLS innerhalb der Additiven lesen. Hier werden nicht nur alle Produktionsabläufe behandelt, sondern auch die Optimierung der SLS Technologie für ihre Druckbedürfnisse.
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