Selektives Lasersintern (SLS): Funktionsweise, Geschichte & Vorteile

Die Fertigung hochkomplexer Teile ist schon immer eine Herausforderung gewesen. Umso größer wird sie, wenn es sich um Prototypen und Kleinserien in hoher Qualität handelt. Immerhin treibt der Anspruch von Qualität die Kosten durch die Konstruktion eigener Produktionswerkzeuge in die Höhe. Mit additiven Fertigungsverfahren wie dem selektiven Lasersintern über SLS 3D-Drucker erleben additive Fertigungsprozesse gerade in den letzten Jahren eine Revolution. 

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Eine Revolution, die durch moderne 3D-Pulverdrucker Fertigungskosten sowohl für die Serienproduktion bei Maschinenbauunternehmen als auch die Prototypenerstellung sowie die Fertigung von Einzelstücken für den privaten Gebrauch deutlich vergünstigt und beschleunigt. Aber wie funktioniert ein Laser Sinter Drucker? Mit welchen Materialien lassen sich Projekte realisieren? Und welche Vor- und Nachteile bieten sich in der Praxis?

Funktionsweise und Arbeitsprozess beim SLS Druck

Hinter dem selektiven Lasersintern steckt ein sogenanntes additives Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druckverfahren. SLS 3D-Drucker funktionieren dabei nach einem einfachen Prinzip: Die Grundlage für die 3D-Pulverdrucker ist ein pulverförmiges Ausgangsmaterial. Dieses wird jeweils vollflächig auf einer Bauplattform aufgetragen.

Der Auftrag erfolgt abhängig vom verwendeten Laser Sinter Drucker entweder über eine Walze oder einen Rakel in dünnen Schichten. Die Schichtstärke ist hier ebenfalls abhängig von der geforderten Qualität der fertigen Werkstücke einstellbar. Meist liegt sie bei hochwertigen Druckern für das Rapid Prototyping im Bereich von 100 µm. Möglich ist ein Bereich von 1 bis 200 µm. Die Besonderheit beim SLS 3D-Drucker ist der namensgebende Laser.

Ist eine neue Schicht des Materials auf der Bauplattform aufgebracht, wird es von einem hochenergetischen Laser gesintert. Es wird also bis knapp unter den spezifischen Schmelzpunkt erhitzt, wodurch sich das Material Schicht für Schicht miteinander verbindet. Der hochpräzise CO2- oder UV-Diodenlaser sorgt zudem dafür, dass die Partikel des Ausgangsmaterials lediglich sehr begrenzt aufgeschmolzen werden.

Ist eine Schicht vollständig aufgebaut, wird die Bauplattform für den Auftrag einer neuen Materialschicht abgesenkt. Nach der Fertigstellung kann überschüssiges Pulver etwa durch Absaugen entfernt werden, um das Bauteil freizulegen. Ein wesentliches Merkmal den das SLS-Verfahren hat, ist die Möglichkeit, überhängende Strukturen zu fertigen.

Das ist möglich, da die Strukturen während der Fertigung im Pulverbett stabilisiert werden. Stützstrukturen sind nicht notwendig. Das unterscheidet das selektive Lasersintern von der Polyjet Technologie und der Stereolithografie. Nach dem eigentlich Druck folgt im Arbeitsprozess das Finishing durch Veredelungsverfahren, wie Kanten- und Oberflächenbearbeitung. Hierzu gehören unter anderem folgende Techniken:

• Luftdichtes Imprägnieren (Epoxid-Infiltration)
• Wasserdichtes Imprägnieren (Nanoseal)
• Polieren (z.B. per Gleitschliff)
• Einfärben
• Lackieren

Das SLS-Verfahren: 3D-Druck-Technlogie mit Geschichte

Selektives Lasersintern hat seinen Ursprung als additives Fertigungsverfahren bereits in den 1970er-Jahren. Damals entwarf Ross F. Householder erstmals einen “3D-Drucker”, der nach dem Prinzip des selektiven Lasersinterns funktionierte. Trotz einer Patentanmeldung nutzte Householder seine Erfindung niemals kommerziell.

Entwickelt und letztlich patentiert wurde die Technologie im kommerziellen Sinn durch Prof. Dr. Joe Beaman und Dr. Carl Deckard von der University of Texas in Austin. Initiiert und finanziert wurde das Forschungsprojekt durch die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Dabei handelt es sich um eine US-Bundesbehörde, die dem Verteidigungsministerium unterstellt ist.

Ende der 1980er-Jahre erreichten die 3D-Pulverdrucker ihre Serienreife und wurden fortan von der durch Beaman und Decker gegründeten Desk Top Manufacturing Corporation (DTM Corp.) vertrieben wurde. Seither haben sich etliche Hersteller an die Optimierung der Technologie gemacht und bieten spezielle Laser Sinter Drucker für die exakten Bedürfnisse angefangen von Privatanwendern bis hin zu Maschinenbauunternehmen an.

Materialien für den SLS-Druck

Eine typische Eigenschaft für das selektive Lasersintern ist die Auswahl bestimmter Materialien für die 3D-Pulverdrucker. Hierbei handelt es sich ausschließlich um Kunststoffe, die in ihrer Pulverform für den Druck genutzt werden. Allem voran stehen Polyether Ketone (PEK), Thermoplastisches Polyurethan (TPU) sowie Polyamide. In einigen seltenen Fällen kommen auch andere Polymere wie Polystyrol zum Einsatz. Die eingesetzten Polymere unterscheiden sich unter anderem anhand ihrer Schmelztemperatur sowie ihrer Kristallinität.

Hinzu kommen Ergänzungsstoffe (sog. Compounds) wie Aluminium oder Kohlefasern, welche die Eigenschaften der Ausgangsstoffe für die im 3D-Druck-Verfahren hergestellten Produkte gezielt beeinflussen. Ein Material mit hoher Kristallinität etwa erhöht die Härte des Endprodukts sorgt aber auch für eine erhöhte Sprödigkeit des Materials. Polymere wie das von uns beim SLS 3D-Druck verwendete Nylon PA 12 ermöglichen eine hohe Maßgenauigkeit, eine hohe Schichtauflösung und sind zudem in verschiedenen Farben verwendbar.

Selektives Lasersintern: 5 Vorteile für Ihr Unternehmen

Wie jedes Verfahren zeichnet sich auch das SLS-Verfahren durch spezifische Eigenschaften und Vorteile aus. Aus diesem Grund eignet sich ein SLS 3D-Drucker besser für die Fertigung bestimmter Objekte als für andere. Umso wichtiger ist ein Blick auf die Vorteile, die selektives Lasersintern Ihnen bietet:

Umfassende Konstruktionsfreiheit: Beim Laser Sinter Drucker entstehen die Werkstücke Schicht für Schicht in einem festen Pulverbett. Damit sind anders als etwa beim Fused Deposition Modeling Verfahren (FDM) keine Stützstrukturen notwendig, um Überhänge und innere Strukturen eines Bauteils darzustellen. Das spart nicht nur Material, sondern auch Arbeit. Immerhin können so selbst komplexeste Bauteile aus einem Stück gefertigt werden, ohne dass Supportstrukturen später aufwendig entfernt werden müssen. Sowohl beim professionellen Rapid Prototyping als auch im privaten Einsatz bieten sich so große konstruktive Freiheiten.

Zahlreiche Finishing-Optionen: Der SLS-Druck punktet nicht nur mit sehr guten mechanischen Materialeigenschaften. Die poröse Oberfläche ermöglicht Ihnen darüber hinaus zahlreiche Finishing-Optionen wie das Versiegeln oder Lackieren mit RAL Farben.

Große Bandbreite an SLS-Material: SLS 3D-Drucken können zur Herstellung von Bauteilen zahlreiche Grundstoffe und Materialmischungen verwenden. Hier kommen vor allem Polymere zum Einsatz, die sich durch hohe mechanische Belastbarkeit, ihre Form- und Temperaturstabilität sowie die Unempfindlichkeit gegenüber Chemikalien auszeichnen. Gesinterte Bauteile sind damit deutlich stabiler als Bauteile aus Acryl- oder Epoxidharz, die im FDM-Verfahren entstehen. Darüber hinaus ist die Herstellung lebensmittelechter Werkstücke möglich.

Sparsam und nachhaltig: Wer unter herausfordernden Marktkonditionen bestehen will, muss nicht nur technologisch vorn mit dabei sein. Auch Nachhaltigkeit steht ganz weit oben. Selektives Lasersintern unterstützt dieses Motiv da keine Rohstoffe für Stützstrukturen benötigt werden. Zudem wird das nicht verbrauchte Pulver im Anschluss gesiebt und wieder in den Produktionsprozess zurückgeführt. Das spart Material, reduziert die Produktionskosten und schont die Umwelt.

Schnelle und kostengünstige Fertigung: Ganz gleich, ob Einzelstück oder Kleinserie – der große Vorteil beim SLS-Druck sind die kalkulierbaren Kosten. Anders als bei abtragenden Produktionsverfahren wie dem Drehen oder Fräsen ergeben sich die Kosten für ein Bauteil nur durch seine Größe und nicht durch seine Komplexität. Gleichzeitig ist das verwendete Material durch die zum Einsatz kommenden Polyamid-Gemische recht günstig.

Welche Nachteile hat das SLS-Verfahren?

Wer die Vorteile im Bereich SLS-Druck nutzen möchte, sollte auch die Nachteile der SLS 3D-Druckwer kennen. Von Nachteilen im eigentlichen Sinne kann man im Angesicht der Qualität, die das SLS-Verfahren bietet eher von Limitationen sprechen. Während die poröse Oberflächenstruktur große Möglichkeiten für das Finishing lässt, beschränkt die leicht raue Oberfläche der lasergesinterten Bauteile die Detailauflösung.

Für feinste Details ist das Verfahren damit weniger geeignet. Durch Nachbearbeitung kann jedoch in begrenztem Rahmen Abhilfe geschaffen werden. Anders als bei der Stereolithographie ist es bedingt durch die Materialien im Pulverbett nicht möglich, transparente oder mehrfarbige Objekte mit einem SLS 3D-Drucker herzustellen. Zumindest die Mehrfarbigkeit kann im Nachgang durch die Lackierung erreicht werden.

Laser Sinter Drucker – Hersteller im Vergleich

Das Potenzial, die SLS 3D-Drucker für die Industrie angefangen vom Maschinenbau über die Automobilindustrie bis hin zur Luftfahrt hat, ist riesig. Mit der Fortentwicklung der Drucktechnik der 3D-Pulverdrucker gewinnt selektives Lasersintern an Bedeutung. Gerade in den vergangenen Jahren haben sich zahlreiche Hersteller mit ihren SLS 3D-Druckern am Markt etabliert.

Zu den bekannteren Herstellern zählt unter anderem Sinatrek. Mit dem Modell KIT ist der Hersteller aus der Schweiz bereits seit 2015 mit einer All-in-One-Lösung am Markt aktiv. Ebenfalls bekannt sind die mit CO2 Lasern ausgestatteten SLS 3D-Drucker aus dem Hause Sharebot sowie die professionellen VIT SLS-Drucker aus dem Hause Natural Robotics die eine Druckgeschwindigkeit von 20 mm pro Stunde liefern.

Unsere Empfehlung und Partner-Hersteller für SLS-Drucker: Formlabs

Einer der Platzhirsche auf dem Markt für professionelle und semiprofessionelle SLS 3D-Drucker ist das im Jahr 2011 in den USA gegründete Unternehmen Formlabs. Ehemals für seine SLA-Drucker bekannt, stellt Formlabs seine Expertise seit 2018 mit Modellen wie dem Fuse 1 auch auf dem SLS-Markt unter Beweis.

Dabei druckt der Fuse 1 Teile mit einem Druckvolumen von 165 x 165 x 320 mm mit einer Mindestschichtdicke von 0,1 mm. Gleichzeitig punkten die SLS 3D-Drucker des Unternehmens mit einem günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis, was die Inhouse-Produktion von Prototypen auch für kleine Unternehmen attraktiv macht.

Weiterlesen: Formlabs Fuse 1 SLS-Drucker

Fazit: SLS-Druck – Produktion völlig neu gedacht

Die Herstellung von Prototypen und Kleinserien war früher eine kostspielige Angelegenheit. Nur wenige Firmen konnten sich diesen Schritt leisten. Dank moderner SLS 3D-Drucker profitieren immer mehr Unternehmen und Privatanwender von den Vorteilen des professionellen 3D-Drucks.

Ganz gleich, ob Beauftragung einzelner 3D-Druck-Projekte oder gleich die Anschaffung eines Laser Sinter Druckers zur Schaffung eines eigenen automatisierten Workflows für die Inhouse-Produktion. Die Möglichkeiten, um aus einer CAD-Datei in kürzester Zeit voll funktionsfähige Prototypen, Bauteile oder sogar Endprodukte zu fertigen, sind ebenso groß wie wirtschaftlich.