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CONCEPT Laser GmbH

Selektives Laserschmelzen (SLM)


Begriffseinführung - Selektives Laserschmelzen (SLM)

Das Selektive Laserschmelzen (englisch: Selective Laser Melting) ist ein generatives bzw. additives, werkzeugloses Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe. Das SLM-Verfahren wird im englischen als Additive Manufacturing (kurz: AM) bezeichnet. Als übergeordnete Bezeichnung hat sich der Begriff 3D-Metalldruck etabliert.


Das Laserschmelz-Verfahren im Überblick

Beim selektiven Laserschmelzen wird das zu verarbeitende Metall in Pulverform in einer dünnen Schicht durch einen Beschichter auf einer Bauplatte aufgetragen. Ein hochenergetischer Faserlaser schmilzt das feine pulverförmige Metall lokal auf. Dieses erkaltet anschließend. Die Bauteilkontur wird durch Ablenkung des Laserstrahls mittels einer Spiegelablenkeinheit (Scanner) erzeugt. Der Aufbau des Bauteils erfolgt Schicht für Schicht (Schichtstärken von 15 - 500 μm) durch Absenkung des Bauraumbodens, Neuauftrag von Pulver und erneutem Schmelzen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis eine 3D-Geometrie entsteht. Nacharbeit: Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt, die aufbaubedingten Supportstrukturen werden entfernt und das Bauteil wird nach Bedarf nachbearbeitet (Oberflächenfinish, Wärmebehandlung etc.). Es kann sofort verwendet werden.


Werkstoffe

Zum Einsatz kommen Werkstoffe wie:

  • Edelstahl
  • Werkzeugstahl
  • Aluminiumlegierungen (Al)
  • Titan und Titanlegierungen (Ti)
  • Kobalt-Chrom-Legierungen (CoCr)
  • Bronzelegierungen
  • Edelmetalllegierungen
  • Nickelbasislegierungen


Aufbaugeschwindigkeiten und Losgrößen:

Der Faktor Laserleistung (z. B. 1.000W-Laserquellen oder Multilaser-Technologie) definiert die Aufbaugeschwindigkeit (cm3/h) der 3D gedruckten Bauteile und damit die Wirtschaftlichkeit einer generativen Fertigung. Selektives Laserschmelzen (SLM) ermöglicht die höchst variable Fertigung von Prototypen und Unikaten der Losgröße 1 bis hin zur industriellen Serienfertigung.


Belichtungsstrategien:

Ein Bauteil kann in verschiedene Segmente mit unterschiedlichen Anforderungen aufgeteilt werden. So erfordert der Außenbereich eines 3D gedruckten Bauteils oftmals eine höhere Festigkeit und geringere Porosität als das Bauteilinnere. Diesen Anforderungen entsprechend werden die einzelnen Segmente mit unterschiedlichen Belichtungsstrategien bearbeitet. (Hülle-Kern-Prinzip) Als ein separater Bereich werden überhängende Bauteilflächen sogenannte Downsides angesehen. Diese müssen wegen ihrer notwendigen Support-Struktur speziell belichtet werden. Ähnliches gilt für Bauteilaußenflächen die nach oben zeigen. Die sogenannten Upsides können mit einer eigenen Belichtungsstrategie versehen werden, um die Rauigkeit am finalen Bauteil deutlich zu minimieren. Verschiedenste Faktoren wie zum Beispiel Dichte und Oberflächengüte können durch eine stochastische Belichtung gezielt gestaltet werden. Hierbei werden einzelne Segmente jeder Schicht vom Laser sukzessiv abgearbeitet. Das patentierte Verfahren sorgt für eine signifikante Reduktion von Spannungen im Bauteil, was verzugsarmes Generieren von massiven und groß volumigen Bauteilen ermöglicht. Eine Einteilung in kleinere Segmente bei dünnwandigen Bauteilstrukturen ist oftmals nicht möglich. Daher eignet sich hierfür eine durchgängige Belichtung, mit geringen Sprungzeiten.


Bauteileigenschaften durch selektives Laserschmelzen (SLM):

Durch Selektives Laserschmelzen gefertigte Bauteile zeichnen sich durch große Bauteildichten (> 99,5 %) aus. Ein 3D gedrucktes Bauteil kann auch gezielt, nach bionischen Prinzipien, oder zur Sicherstellung einer partiellen Festigkeit, mit unterschiedlich ausgelegten Dichten gefertigt werden. Dabei können bestimmte Bereiche eines Bauteils mit niedrigen Dichten (z. B. Wabenstrukturen) ausgelegt werden, um elastischer oder leichter zu sein. Andere Bereiche können mit hohen Dichten versehen werden, um z. B. gezielt Kraftlinien aufzufangen. Verglichen mit einer Gusslösung entfällt das Risiko von Lunkern. 3D gedruckte Bauteile zeichnen sich generell durch höchste Präzision, hohe Dichte und gute mechanische Eigenschaften aus.


Topologieoptimierung, Bionik und Leichtbau – Dank Selektivem Laserschmelzen:

Topologieoptimierung beschreibt ein computergestütztes Verfahren zur Neuauslegung der Bauteilgeometrie. Das bedeutet im additiven Fertigungsprozess, dass Material nur an Stellen aufgetragen wird, an denen Kräfte wirken. Der Aufbau eines Bauteils entlang seiner Kraftlinien erzeugt ein neues Leichtbau-Design und spart somit Ressourcen. Topologieoptimierte Bauteile sind daher durchschnittlich bis zu 20 – 30 % leichter. Die gegebene Geometriefreiheit im additiven Fertigungsprozess ermöglicht es bionische Prinzipien in das Leichtbau-Design einfließen zu lassen. Als Grundlage dienen Lösungen aus der Natur, die durch ihre organischen Formen mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht hergestellt werden können. Die Misch- bzw. Hybridbauweise erlaubt es, komplexe Geometrien additiv und einfache Bereiche mittels Zerspanung herzustellen.


Funktionsintegration:

Zur Leistungssteigerung können in 3D gedruckten Bauteilen unterschiedliche Funktionen, wie Kinematik, Sensorik oder Temperierung (z. B. Kühlrippen oder Kühlkanäle), integriert werden.


Generelle Kosten- und Zeitvorteile beim Selektiven Laserschmelzen:

Gegenüber konventionellen Verfahren (Guss- oder Frästechniken) zeichnet sich das Selektive Laserschmelzen (SLM) dadurch aus, dass Werkzeuge oder Formen entfallen (formlose Fertigung). Dies senkt die Lebenszykluskosten, Entwicklungs- und Produkteinführungszeiten (Time-to-market) und verbessert die Kostenstruktur. Dank der One-Shot-Option können sogar bewegliche Bauteile direkt aus einem Stück hergestellt werden, was den Montageaufwand deutlich reduziert. Die parallele Fertigung von individuellen Produkten in einem Bauraum, sowie die mannlose Fertigung (24/7Tage) zählen zu den herausragenden Stärken. Alle Effekte zusammen ergeben eine hohe Flexibilität, geringeres Produktionsrisiko und ein hohes Wertschöpfungspotenzial in der Fertigung.


Nachhaltigkeit und Green Technology:

Hohe Energieeffizienz, digitale Prozesskette und Schonung der Ressourcen sind wichtige Beiträge zur Reduzierung von CO₂-Emissionen und Nachhaltigkeit. Der Materialverbrauch ergibt sich aus Bauteilgewicht und Stützkonstruktion (Support-Struktur). Neben dem generellen Leichtbaupotenzial einer 3D-Konstruktion sind die Materialeinsparungseffekte gegenüber einer gefrästen Lösung extrem hoch (Spannweite je nach Bauteil: 30 – 80 %).


Anwendungen und Branchen

Selektives Laserschmelzen kann in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden:

  • Luft- und Raumfahrt, hier kommen statt gefräster Teile bionische, generative Leichtbauteile zum Einsatz
  • Automobiltechnik, von Getriebegehäusen über Autositze bis hin zu technischen Bauteilen generell
  • Dentaltechnik für Zahnersatz, Implantate, Brücken und Kronen, in der Dentallabore als Dienstleister auftreten
  • Medizintechnik, d. h. medizinische Geräte, Endoskopie, Implantate oder Orthopädie, Beispiel sind Titanplatten bei Verletzungen des Schädels, Hüft- oder Wirbelsäulenimplantate
  • Maschinenbauelemente und technische Bauteile
  • Turbinenbau in der Energieerzeugung
  • Werkzeugmaschinen- und Werkzeugbau, z. B. Einsätze zur konturnahen Temperierung
  • Lifestyle Produkte, wie z. B. Schmuck, Mode oder Uhren
  • Prototypenbau und Rapid Prototyping.


Ausblick: Paradigmenwechsel und industrielle Serienfertigung mittels Selektivem Laserschmelzen (SLM)

Das Selektive Laserschmelzen eröffnet neue Produktlösungen und Geschäftsmodelle. 3D-Bauteile können leistungsfähiger, schneller verfügbar, leichter oder/und kostengünstiger sein. Angesichts der heute schon möglichen Aufbaugeschwindigkeiten und Bauraumgrößen hat die generative Fertigung längst das Stadium des Prototyping überwunden. Nun wartet der Megatrend „Industrie 4.0“ oder die 4. Industrielle Revolution als große Herausforderung. In der Luft- und Raumfahrtbranche hat sich dieser Paradigmenwechsel bereits teilweise vollzogen, so dass AM zur Standardstrategie stark an Bedeutung zugenommen hat. Dazu müssen aber die bisherigen Maschinenlösungen einerseits noch besser, effizienter und wirtschaftlicher werden und andererseits dem Leitgedanken der Industrie 4.0 entsprechen. Digitalisierung, Automatisierung und eine Vernetzung der Maschinen bis hin zur Schaffung einer Smart Factory gelten in diesem Zusammenhang als größte Herausforderungen.