Selektives Lasersintern (SLS) & 3D-Druck

Das Selektive Laser-Sintering ist eine additive Fertigung, die nach dem Powder-Bed-Fusion-Prinzip funktioniert. Ausgehend von einem selektiv mit Hilfe eines Lasers verschmolzenen Kunststoffpulver werden dreidimensionale Objekte hergestellt. Es handelt sich um eine der ältesten 3D-Druck-Technologien am Markt, erfunden und patentiert in den späten 1980er Jahren von Dr. Carl Deckard und Joe Beaman. Zur gleichen Zeit wurden auch die 3D-Drucktechnologien SLA und FDM erstmalig patentiert.

Heute ist das SLS-Verfahren eines der am weitesten verbreiteten und am besten entwickelten Verfahren. Andere Technologien wie bspw. das Binder Jetting wurden erst einige Jahre später entwickelt, weisen aber gerade in puncto Produktivität ein höheres Potenzial als das SLS-Verfahren auf.

Ein SLS-3D-Drucker baut Objekte in einem Pulverbett auf, indem er selektiv und Schicht für Schicht Plastikpulver versintert. Dazu trägt ein Recoater oder eine Rakel das Pulver auf eine absenkbare Bauplattform auf. Das gewünschte Objekt liegt dem 3D-Drucker als CAD-Datei vor und wird von der Software gesliced – das heißt, das Bauteil wird in einzelne Schichten geschnitten. Jede Schicht bildet einen Querschnitt durch das Bauteil und repräsentiert eine Schicht während des Druckprozesses.

Der Laser versintert also bei der ersten Schicht das Pulver dem ersten Querschnitt entsprechend. Da der Bauraum bereits erwärmt ist, trägt der Laser nur noch die Energie in das Pulverbett ein, die gebraucht wird, um das Pulver aufzuschmelzen und einen Schichtverbund zu generieren. Anschließend wir erneut eine Pulverschicht auf das Baufeld aufgebracht, und wieder versintert der Laser eine selektive Schicht. Diese Prozessfolge wiederholt sich so lange, bis das gewünschte Objekt hergestellt ist und aus dem Pulverbett entpackt werden kann.

Im Grunde sind SLS und SLM zwei Seiten derselben Medaille. Beides sind additive Fertigungstechnologien, die mit Hilfe eines Lasers Pulvermaterialien zu 3D-Objekten formen. Der wesentliche Unterschied beider Technologien liegt in den zu verarbeitenden Materialien. SLS verarbeitet hauptsächlich Kunststoffmaterialien, SLM eignet sich besonders für Metalle. Kleinere Unterschiede finden sich darüber hinaus in den Prozessdetails. Beim SLS werden der Bauraum und das Pulver knapp unter den Schmelzpunkt aufgeheizt, damit der Laser nur noch den restlichen Energiebetrag zum Schmelzen des Pulvers eintragen muss.

Beim SLM hingegen heizt sich der Bauraum nicht auf. Stattdessen wird er mit einem Inertgas wie bspw. Stickstoff gefüllt, um eine Oxidation des Metallpulvers zu vermeiden. Ein weiterer Unterschied liegt im Sintern und Schmelzen. Beim Schmelzen findet ein Phasenübergang vom festen zum flüssigen Aggregatzustand des Materials statt. Beim Sintern hingegen ist die Temperatur nicht hoch genug, um das Material vollständig aufzuschmelzen. Stattdessen werden die Materialpartikel agglomeriert, indem das Korn nicht komplett aufschmilzt, aber sich so weit erwärmt, dass es sich mit den benachbarten Körnern verbindet.

Zu den größten Vorteilen des Lasersinterns gehören die hohe Detailgenauigkeit und die Festigkeit der Bauteile. Darüber hinaus sind während des 3D-Druckprozesses keine Stützstrukturen notwendig, da das Pulverbett die Bauteile stützt, genau wie beim Binder Jetting. Unverdrucktes Material lässt sich bis zu 100 % recyceln und wiederverwenden. Ähnlich wie bei allen anderen 3D-Drucktechnologien wurde SLS bisher hauptsächlich zur Produktion von Prototypen genutzt. Mittlerweile bilden viele Anwender aber auch Kleinserien über das Selektive Laser-Sintering ab.

Das Laser-Sintering ist eines der am weitesten entwickelten 3D-Druckverfahren am Markt. Entsprechend breit ist das heute verfügbare Materialportfolio. Neben klassischen Polyamiden wie PA12 oder Thermoplasten wie TPU können mittels SLS auch spezielle Hochleistungskunststoffe wie PEK, PEEK oder PEI verarbeitet werden.

Besonders beliebt ist SLS für Prototyping-Zwecke. Ob funktionale oder rein visuelle Prototypen – die Detailgenauigkeit und mechanische Belastungsfähigkeit der 3D-gesinterten Bauteile sowie die Verfügbarkeit vieler unterschiedlicher SLS-Materialien haben zur weiten Verbreitung der 3D-Drucktechnologie beigetragen. Besonders in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin und im Autobau hat sich das Verfahren mittlerweile fest etabliert. Auch Anwendungszwecke, die über das klassische Prototyping hinausgehen, wie z. B. Kleinserien, lassen sich mittlerweile wirtschaftlich über das Selektive Laser-Sintering abbilden.