Selektives Laserschmelzen (SLM) ist ein additives Metallfertigungsverfahren, bei dem ein Laser verwendet wird, um Metallpulver zu vollständig dichten Bauteilen zu verschmelzen. In diesem Leitfaden werden SLM-Technologie, Systeme, Materialien, Anwendungen, Vorteile und Überlegungen bei der Implementierung der additiven Fertigung mit SLM untersucht.
Einführung in Additive Fertigung SLM
Selektives Laserschmelzen (SLM) ist eine additive Fertigungstechnik im Pulverbettschmelzverfahren, bei der ein Hochleistungslaser zum selektiven Schmelzen und Verschmelzen metallischer Pulverpartikel Schicht für Schicht verwendet wird, um vollständig dichte 3D-Teile direkt aus CAD-Daten aufzubauen.
Hauptmerkmale der SLM-Technologie:
- Verwendet einen fokussierten Laserstrahl, um pulverförmige Metalle zu schmelzen
- Fügt in jeder Schicht nur dort Material hinzu, wo es erforderlich ist
- Ermöglicht komplexe Geometrien, die durch Gießen oder Bearbeiten nicht erreichbar sind
- Erstellt endkonturnahe Metallkomponenten mit hoher Dichte
- Zu den Materialien gehören Aluminium, Titan, Edelstahl und Legierungen
- Kleine bis mittlere Stückzahlen
- Ideal für komplexe Teile mit geringem Volumen
- Keine Notwendigkeit für harte Werkzeuge wie Formen oder Matrizen
- Reduziert den Abfall im Vergleich zu subtraktiven Methoden erheblich
- Ermöglicht leichte Designs und Teilekonsolidierung
- Ermöglicht funktionale Verbesserungen durch technische Strukturen
Mit seinen Fähigkeiten bietet SLM bahnbrechende Vorteile für innovatives Produktdesign und schlanke Fertigung. Es erfordert jedoch Fachwissen, um den Prozess zu beherrschen.
So funktioniert die additive SLM-Fertigung
Der SLM-Produktionsprozess besteht aus:
- Eine dünne Schicht Metallpulver auf einer Bauplatte verteilen und nivellieren
- Selektives Scannen eines fokussierten Laserstrahls, um Pulver zu schmelzen
- Absenken der Bauplattform und wiederholtes Schichten und Schmelzen
- Fertige Teile aus dem Pulverbett entnehmen
- Nachbearbeitung der Teile nach Bedarf – Reinigung, Wärmebehandlung usw.
Die präzise Steuerung des Lasers, der Scanmuster, der Kammeratmosphäre und anderer Parameter ist entscheidend, um mit SLM hochwertige, dichte Metallteile zu erzielen.
SLM-Systeme verfügen über einen Lasergenerator, eine Strahlführungsoptik, ein Pulverabgabesystem, eine Baukammer, eine Inertgasbehandlung und zentrale Steuerungen. Die Leistung hängt stark von der Systemtechnik und der Optimierung der Build-Parameter ab.
Hersteller von SLM-Geräten
Zu den weltweit führenden Anbietern von SLM-Additiv-Fertigungssystemen gehören:
| Unternehmen | Modelle | Baugrößenbereich | Materialien | Preisspanne |
|---|---|---|---|---|
| SLM-Lösungen | NextGen, NXG XII | 250 x 250 x 300 mm <br>500 x 280 x 365 mm | Ti, Al, Ni, Stähle | $400k – $1,5M |
| EOS | M 300, M 400 | 250 x 250 x 325 mm <br> 340 x 340 x 600 mm | Ti, Al, Ni, Cu, Stähle, CoCr | $500k – $1,5M |
| Trumpf | TruPrint 3000 | 250 x 250 x 300 mm <br> 500 x 280 x 365 mm | Ti, Al, Ni, Cu, Stähle | $400k – $1M |
| Konzeptlaser | X-Linie 2000R | 800 x 400 x 500 mm | Ti, Al, Ni, Stähle, CoCr | $1M+ |
| Renishaw | AM400, AM500 | 250 x 250 x 350 mm <br>395 x 195 x 375 mm | Ti, Al, Stähle, CoCr, Cu | $500k - $800k |
Die Systemauswahl hängt von den Anforderungen an die Baugröße, den Materialien, der Qualität, den Kosten und der Serviceunterstützung ab. Zur ordnungsgemäßen Bewertung der Optionen wird die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen SLM-Lösungsanbieter empfohlen.
SLM-Prozessmerkmale
SLM beinhaltet komplexe Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessparametern. Hier sind die wichtigsten Merkmale:
Laser – Leistung, Wellenlänge, Modus, Scangeschwindigkeit, Schraffurabstand, Strategie
Pulver – Material, Partikelgröße, Form, Zufuhrgeschwindigkeit, Dichte, Fließfähigkeit, Wiederverwendung
Temperatur – Vorwärmen, Schmelzen, Abkühlen, thermische Spannungen
Atmosphäre – Inertgasart, Sauerstoffgehalt, Durchflussraten
Bauplatte – Material, Temperatur, Beschichtung
Scan-Strategie – Schraffurmuster, Drehung, Randumrisse
Unterstützt – Minimierung, Schnittstelle, Entfernung
Nachbearbeitung – Wärmebehandlung, HIP, Bearbeitung, Endbearbeitung
Um fehlerfreie Teile mit optimierten mechanischen Eigenschaften zu erhalten, ist es wichtig, die Beziehungen zwischen diesen Parametern zu verstehen.
SLM-Teiledesignrichtlinien
Das richtige Teiledesign ist entscheidend für eine erfolgreiche additive SLM-Fertigung:
- Entwerfen Sie unter Berücksichtigung der AM-Prinzipien im Vergleich zu herkömmlichen Methoden
- Optimieren Sie Geometrien, um Gewicht und Materialverbrauch zu reduzieren und die Leistung zu verbessern
- Minimieren Sie den Bedarf an Stützen durch selbsttragende Winkel
- Berücksichtigen Sie im Design Unterstützungsschnittstellenbereiche
- Teile ausrichten, um Spannungen zu reduzieren und Fehler zu vermeiden
- Berücksichtigen Sie thermische Schrumpfungseffekte in Features
- Entwerfen Sie Innenkanäle für die Entfernung von ungeschmolzenem Pulver
- Beheben Sie potenzielle Verwerfungen in Überhängen oder dünnen Abschnitten
- Entwerfen Sie die Oberflächenbeschaffenheit unter Berücksichtigung der Rauheit im Bauzustand
- Berücksichtigen Sie die Auswirkungen von Schichtlinien auf die Ermüdungsleistung
- Design-Befestigungsschnittstelle zum Entfernen von Teilen aus dem Pulverbett
- Minimieren Sie eingeschlossene Mengen an ungesintertem Pulver
Simulationssoftware hilft bei der Beurteilung von Spannungen und Verformungen in komplexen SLM-Teilen vor dem Drucken.
SLM-Materialoptionen
Mit der SLM-Technologie kann eine Reihe von Legierungen verarbeitet werden, wobei die endgültigen Materialeigenschaften von folgenden Parametern abhängen:
| Kategorie | Gängige Legierungen |
|---|---|
| Titan | Ti-6Al-4V, Ti 6242, TiAl, Ti-5553 |
| Aluminium | AlSi10Mg, AlSi12, Scalmalloy |
| Rostfreier Stahl | 316L, 17-4PH, 304L, 4140 |
| Werkzeugstahl | H13, Maraging-Stahl, Kupfer-Werkzeugstahl |
| Nickel-Legierungen | Inconel 625, 718, Haynes 282 |
| Kobalt Chrom | CoCrMo, MP1, CoCrW |
| Edelmetalle | Gold-Silber |
Um die erforderliche Materialleistung zu erreichen, sind die Auswahl kompatibler Legierungen und die Auswahl qualifizierter Konstruktionsparameter von entscheidender Bedeutung.
Wichtige SLM-Anwendungen
SLM ermöglicht transformative Fähigkeiten in allen Branchen:
| Industrie | Typische SLM-Anwendungen |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Laufräder, UAV-Komponenten |
| Medizinische | Orthopädische Implantate, chirurgische Instrumente, patientenspezifische Geräte |
| Automobilindustrie | Leichtbaukomponenten, kundenspezifische Werkzeuge |
| Energie | Komplexe Öl-/Gasventile, Wärmetauscher |
| Industriell | Konforme Kühleinsätze, Vorrichtungen, Vorrichtungen, Führungen |
| Verteidigung | Drohnen, Schusswaffen, Fahrzeug- und Körperschutzkomponenten |
Zu den Vorteilen gegenüber der konventionellen Fertigung gehören:
- Möglichkeit zur Massenanpassung
- Kürzere Entwicklungszeit
- Designfreiheit für Leistungssteigerungen
- Teilekonsolidierung und Leichtbau
- Eliminierung übermäßigen Materialverbrauchs
- Konsolidierung der Lieferkette
Beim Einsatz von SLM-Teilen in kritischen Anwendungen ist eine sorgfältige Validierung der mechanischen Leistung erforderlich.
Vor- und Nachteile von SLM Additive Fertigung
Vorteile:
- Designfreiheit durch additives Verfahren ermöglicht
- Komplexität ohne erhöhte Kosten erreicht
- Keine Notwendigkeit für harte Werkzeuge wie Formen oder Matrizen
- Konsolidiert Unterbaugruppen zu einzelnen Komponenten
- Leichtbau durch organische, topologieoptimierte Strukturen
- Individualisierung und Kleinserienfertigung
- Reduzierte Entwicklungszeit im Vergleich zum Gießen/Bearbeiten
- Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht durch feine Mikrostrukturen
- Minimiert die Materialverschwendung im Vergleich zu subtraktiven Verfahren erheblich
- Just-in-time und dezentrale Produktion
- Reduzierte Teilevorlaufzeit und Lagerbestände
Beschränkungen:
- Kleinere Bauvolumina als bei anderen Metall-AM-Prozessen
- Geringere Genauigkeit und Oberflächengüte als bei der CNC-Bearbeitung
- Begrenzte Auswahl an geeigneten Legierungen im Vergleich zum Guss
- Erheblicher Versuch-und-Irrtum-Ansatz zur Optimierung der Build-Parameter
- Anisotrope Materialeigenschaften durch schichtweisen Aufbau
- Mögliche Eigenspannungen und Rissbildung
- Schwierigkeiten bei der Pulverentfernung aus komplexen Innengeometrien
- Um die endgültigen Eigenschaften zu erreichen, ist häufig eine Nachbearbeitung erforderlich
- Höhere Gerätekosten als beim Polymer-3D-Druck
- Spezielle Einrichtungen und Handhabung von Inertgas erforderlich
Bei richtiger Anwendung ermöglicht SLM eine bahnbrechende Leistung, die mit anderen Mitteln nicht möglich wäre.
Implementierung der additiven SLM-Fertigung
Zu den wichtigsten Schritten bei der Einführung der SLM-Technologie gehören:
- Passende Anwendungen bedarfsgerecht identifizieren
- Bestätigung der SLM-Machbarkeit für ausgewählte Designs
- Entwicklung strenger Prozessqualifizierungsprotokolle
- Investition in geeignete SLM-Ausrüstung
- Sicherstellung der Fachkompetenz in metallischen Pulverbettprozessen
- Festlegung strenger Materialqualitätsverfahren
- Beherrschung der Parameterentwicklung und -optimierung
- Implementierung robuster Nachbearbeitungsmethoden
- Qualifizierende mechanische Eigenschaften fertiger Bauteile
Ein methodischer Einführungsplan, der sich auf Anwendungen mit geringem Risiko konzentriert, minimiert Fallstricke beim Hinzufügen von SLM-Additivfunktionen. Durch die Zusammenarbeit mit erfahrenen SLM-Servicebüros oder System-OEMs erhalten Sie Zugang zu Fachwissen.
Kostenanalyse der SLM-Produktion
Die Wirtschaftlichkeit der SLM-Produktion umfasst:
- Hohe Maschinenausrüstungskosten
- Arbeitsaufwand für Aufbau, Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle
- Materialkosten geeigneter Metallpulver-Rohstoffe
- Teilebearbeitung – Bearbeiten, Bohren, Entgraten usw.
- Gemeinkosten – Anlagen, Inertgas, Wartung
- Erste Prozessentwicklung im Trial-and-Error-Verfahren
- Die Kosten sinken mit zunehmender Produktionserfahrung und -menge
- Wird bei Volumina von etwa 1–500 Einheiten wirtschaftlich
- Bietet höchste Kostenvorteile bei komplexen Geometrien
Um Mängel zu vermeiden, wird die Auswahl qualifizierter Legierungen von namhaften Lieferanten empfohlen. Die Partnerschaft mit einem Dienstleister bietet einen schnelleren und risikoärmeren Weg zur Einführung.
SLM im Vergleich zu anderen Prozessen
| Prozess | Vergleich mit SLM |
|---|---|
| CNC-Bearbeitung | SLM ermöglicht komplexe Formen, die durch subtraktive Verfahren nicht bearbeitbar sind. Keine harten Werkzeuge erforderlich. |
| Metall-Spritzgießen | Bei SLM fallen keine hohen Werkzeugkosten an. Bessere Materialeigenschaften als MIM. |
| Druckguss | SLM hat geringere Werkzeugkosten. Keine Größenbeschränkungen. Sehr komplexe Geometrien realisierbar. |
| Blattkaschierung | SLM erzeugt vollständig dichtes und isotropes Material im Vergleich zu laminierten Verbundwerkstoffen. |
| Binder Jetting | SLM erzeugt vollständig dichte Grünteile im Gegensatz zu Teilen mit porösem Bindemittel, die gesintert werden müssen. |
| DMLS | SLM bietet eine höhere Genauigkeit und bessere Materialeigenschaften als Polymer-DMLS. |
| EBM | Elektronenstrahlschmelzen hat höhere Aufbauraten, aber eine geringere Auflösung als SLM. |
Jeder Prozess bietet je nach Anwendungsanforderungen, Chargengröße, Materialien und Leistungsanforderungen spezifische Vorteile.
Zukunftsaussichten für die additive SLM-Fertigung
SLM steht vor einem deutlichen Wachstum in den kommenden Jahren, angetrieben durch:
- Kontinuierliche Materialerweiterung mit größerer Legierungsverfügbarkeit
- Größere Bauvolumina ermöglichen eine Produktion im industriellen Maßstab
- Verbesserte Oberflächengüte und engere Toleranzen
- Erhöhte Systemzuverlässigkeit und Produktivität
- Neue Hybridsysteme mit integrierter CNC-Bearbeitung
- Sinkende Kosten verbessern die Rentabilität des Geschäftsmodells
- Weitere Optimierungsalgorithmen und Simulation
- Automatisierte Support-Entfernung und Nachbearbeitung
- Wachstum qualifizierter Teile für regulierte Branchen
- Kontinuierliche Weiterentwicklung hochkomplexer Designs
SLM wird für eine wachsende Palette von Anwendungen zum Mainstream werden, bei denen seine Fähigkeiten einen deutlichen Wettbewerbsvorteil bieten.
FAQs
Welche Materialien können Sie mit der SLM-Technologie bearbeiten?
Üblicherweise werden Titan, Aluminium, rostfreie Stähle, Werkzeugstähle, Nickellegierungen und Kobaltchrom verarbeitet.
Wie genau ist SLM?
Typisch ist eine Genauigkeit von etwa ±0,1–0,21 TP3T mit einer minimalen Merkmalsauflösung von etwa 100 Mikrometern.
Was kosten SLM-Systeme?
Die SLM-Ausrüstung reicht von $300.000 bis $1.000.000+, je nach Größe, Fähigkeiten und Optionen.
Welche Arten der Nachbearbeitung sind erforderlich?
Es können Wärmebehandlung, HIP, Oberflächenbearbeitung und/oder maschinelle Bearbeitung eingesetzt werden. Außerdem ist eine Entfernung der Stütze erforderlich.
Welche Branchen nutzen die additive SLM-Fertigung?
Die Sektoren Luft- und Raumfahrt, Medizin, Automobil, Industrie und Verteidigung gehören zu den ersten Anwendern von SLM.
Für welche Materialien eignet sich SLM nicht gut?
Stark reflektierende Metalle wie Kupfer oder Gold bleiben eine Herausforderung. Materialeigenschaften für einige Legierungen sind noch im Entstehen begriffen.
Welche Oberflächengüten können erzielt werden?
Die Oberflächenrauheit des SLM im fertigen Zustand liegt zwischen 5 und 15 Mikrometer Ra. Durch die Endbearbeitung kann dies noch verbessert werden.
Wie große Teile können Sie mit SLM herstellen?
Standardbauvolumina reichen von bis zu 500 mm x 500 mm x 500 mm. Größere Maschinen nehmen größere Bauteile auf.
Ist SLM für Endproduktionsteile geeignet?
Ja, SLM wird zunehmend für Endproduktionskomponenten eingesetzt, Beispiele finden sich in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Medizintechnik.
