Überblick über SLM Additive Fertigung
Selektives Laserschmelzen (SLM) ist eine additive Fertigungstechnologie, bei der ein Laser verwendet wird, um metallisches Pulvermaterial selektiv zu schmelzen und Schicht für Schicht zu verschmelzen, um 3D-Objekte zu erzeugen. SLM eignet sich für die Verarbeitung reaktiver Metalle wie Titan, Aluminium und Edelstahl zu vollständig dichten und funktionalen Teilen mit komplexen Geometrien.
SLM bietet mehrere Vorteile im Vergleich zur traditionellen Fertigung:
Vorteile der additiven Fertigung mit SLM
| Nutzen Sie | Beschreibung |
|---|---|
| Gestaltungsfreiheit | SLM kann komplexe Geometrien wie Gitter, innere Kanäle und organische Formen herstellen, die mit maschineller Bearbeitung nicht möglich sind. |
| Personalisierung | Teile können leicht angepasst und für die Funktion und nicht für die Herstellbarkeit optimiert werden. |
| Gewichtsreduzierung | Organische Formen und Gitter ermöglichen ein geringes Gewicht bei gleichzeitiger Festigkeit der Teile |
| Materialeinsparungen | SLM verwendet nur die benötigte Menge an Material im Vergleich zur Bearbeitung von massiven Blöcken |
| Schnelles Prototyping | Teile können direkt aus dem CAD in 3D gedruckt werden, im Gegensatz zu Werkzeugen für das Prototyping |
| Just-in-time-Produktion | On-Demand-Druck nach Bedarf reduziert die Lagerkosten |
| Widerstandsfähigkeit der Lieferkette | Verteilte Fertigung reduziert Risiken in der Lieferkette |
SLM ist jedoch auch mit einigen Einschränkungen verbunden:
Grenzen der additiven Fertigung mit SLM
| Begrenzung | Beschreibung |
|---|---|
| Kosten der Maschine | Industrielle SLM-Maschinen haben hohe Anfangskapitalkosten von $100K-$1M+ |
| Material-Optionen | Derzeit beschränkt auf reaktive Metalle wie Titan, Aluminium, Werkzeugstähle und Superlegierungen |
| Genauigkeit | Die typische Genauigkeit von 0,1-0,2 mm liegt unter den Bearbeitungstoleranzen. |
| Oberflächengüte | Die gedruckte Oberfläche ist rau und muss nachbearbeitet werden |
| Größe bauen | Die maximale Teilegröße ist durch die Größe der Druckerkammer begrenzt. |
| Produktion von Kleinserien | Am wirtschaftlichsten für Kleinserien und kundenspezifische Teile im Vergleich zur Massenproduktion |
| Nachbearbeitung | Zusätzliche Schritte wie Entfernen von Stützen, Wärmebehandlung erforderlich |
So funktioniert der SLM-3D-Druck
SLM ist ein Pulverbettschmelzverfahren, bei dem ein fokussierter Laserstrahl verwendet wird, um metallisches Pulvermaterial selektiv zu schmelzen und Schicht für Schicht zu verschmelzen.
Die wichtigsten Schritte im SLM-Prozess sind:
SLM 3D-Druckverfahren
| Schritt | Beschreibung |
|---|---|
| 3D-Modell | Ein 3D-CAD-Modell wird digital in Schichten zerlegt |
| Streupulver | Ein Rückstreichmesser verteilt eine dünne Pulverschicht auf der Bauplattform |
| Laserschmelzen | Ein Laserstrahl tastet jede Schicht ab und verbindet sie mit dem Schmelzpulver, basierend auf den geschnittenen CAD-Daten. |
| Untere Plattform | Die Bauplattform senkt sich und eine weitere Schicht Pulver wird aufgetragen |
| Wiederholen Sie die Schritte | Der Prozess des Schmelzens der Schichten wird wiederholt, bis das gesamte Teil aufgebaut ist. |
| Teil entfernen | Das fertige 3D-gedruckte Teil wird aus dem Pulverbett genommen |
| Post-Process | Das Teil wird gereinigt und wärmebehandelt, um Spannungen abzubauen. |
SLM-Materialien
SLM ist in der Lage, eine Reihe von reaktiven Metallen zu vollständig dichten Teilen zu verarbeiten, einschließlich:
SLM-Materialien
| Material | Wichtige Eigenschaften | Anwendungen |
|---|---|---|
| Titan-Legierungen | Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, Biokompatibilität | Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate |
| Aluminium-Legierungen | Leichtes Gewicht, hohe Festigkeit | Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt |
| Rostfreie Stähle | Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit | Industrieller Werkzeugbau, Marine |
| Werkzeugstähle | Hohe Härte, Hitzebeständigkeit | Spritzgussformen, Gesenke |
| Nickel-Superlegierungen | Hitze- und Korrosionsbeständigkeit | Turbinenschaufeln, Raketendüsen |
| Kobalt Chrom | Abriebfestigkeit, Biokompatibilität | Zahnimplantate, Orthopädie |
Die gängigsten SLM-Materialien sind Titan- und Aluminiumlegierungen sowie Werkzeug- und Edelstähle. Auch exotischere Superlegierungen und Metallverbundwerkstoffe können mit der SLM-Technologie bearbeitet werden.
SLM-Design-Richtlinien
Um erfolgreich Teile für den SLM-3D-Druck zu entwerfen, sollten Ingenieure diese Richtlinien befolgen:
SLM-Design-Richtlinien
| Leitfaden | Beschreibung |
|---|---|
| Vermeiden Sie Überhänge | Minimierung von Überhängen, die Stützen erfordern, die entfernt werden müssen |
| Design-Anker | Kleine Anker oder Laschen zur Befestigung des Teils an der Bauplatte einfügen |
| Orientierung für Stärke | Ausrichten des Teils zur Maximierung der Festigkeit in Funktionsrichtung |
| Teilehöhe minimieren | Ausrichten, um die Z-Höhe zu minimieren, damit empfindliche Merkmale nicht kollabieren |
| Nachbearbeitung zulassen | Fügen Sie 0,1-0,3 mm Aufmaß für die Nachbearbeitung hinzu, wenn enge Toleranzen erforderlich sind. |
| Optimieren Sie Gitterkonstruktionen | Abstimmung der Zellengröße und der Strebengröße auf die Bauteillasten und SLM-Bedingungen |
| Inklusive Entlüftungslöcher | Fügen Sie kleine Löcher ein, um zu verhindern, dass eingeschlossenes Pulver Defekte verursacht. |
| Konforme Kühlkanäle | Entwurf komplexer interner Kühlkanäle, die durch Bohren/Bearbeiten nicht möglich sind |
| Teile kombinieren | Konsolidierung von Baugruppen zu Einzelteilen, um den Montageaufwand zu reduzieren |
Die Befolgung dieser Richtlinien hilft, häufige SLM-Druckfehler wie schlechte Oberflächengüte, Verformung, Rissbildung oder eingeschlossenes Pulver zu vermeiden.
SLM Drucker Hersteller
Zu den wichtigsten Herstellern von SLM-Systemen gehören:
SLM 3D Drucker Hersteller
| Unternehmen | Drucker | Wesentliche Merkmale |
|---|---|---|
| EOS | EOS M290, EOS M300 x4 | Pionier des 3D-Metalldrucks, hervorragende Bauteileigenschaften |
| SLM-Lösungen | SLM 280, SLM 500, SLM 800 | Sehr hohe Laserleistung für Produktivität und große Bauvolumen |
| 3D-Systeme | DMP Fabrik 500 | Skalierbare Systeme für die Großserienproduktion |
| GE-Zusatzstoff | Konzept Laser M2, X Line 2000R | Jetzt Teil von GE, zuverlässige Produktivitäts-Arbeitspferde |
| Renishaw | RenAM 500Q | Ausgezeichnete Präzision, integriertes Qualitätsmanagementsystem |
Bei der Auswahl eines SLM-Systems sind die Schlüsselfaktoren Bauvolumen, Laserleistung, Materialeigenschaften, Präzision und Software-Workflow. Die führenden Hersteller bieten etablierte Systeme an, aber es gibt auch viele neue Marktteilnehmer aus China und Indien.
SLM-Drucker-Preise
Industrielle SLM-Systeme haben hohe Anfangsinvestitionen, die von $100.000 für Einstiegsmaschinen bis zu $1.000.000+ für High-End-Produktionssysteme reichen:
SLM-Drucker-Preise
| Hersteller | Drucker-Modell | Volumen aufbauen | Preisspanne |
|---|---|---|---|
| EOS | EOS M100 | 95 x 95 x 95 mm | $100k - $150k |
| SLM-Lösungen | SLM 125 | 125 x 125 x 125 mm | $175k - $250k |
| 3D-Systeme | DMP Fabrik 500 | 500 x 500 x 500 mm | $500k - $800k |
| GE-Zusatzstoff | Konzept Laser M2 Serie 5 | 250 x 250 x 280 mm | $700k - $900k |
| Renishaw | RenAM 500M | 250 x 250 x 350 mm | $950k - $1.2M |
Größere Bauvolumen, höhere Laserleistung und Produktivitätsmerkmale treiben die Systemkosten in die Höhe. Eine kluge Auswahl auf der Grundlage der Anwendungsbedürfnisse und Produktionsanforderungen ist jedoch entscheidend.
Überlegungen zur SLM-Einrichtung
Um eine SLM-Anlage erfolgreich zu betreiben, sollten Unternehmen Folgendes beachten:
SLM-Faktoren
| Faktor | Beschreibung |
|---|---|
| Kosten der Einrichtung | Berücksichtigung der Kosten für Drucker, Materialien und den Aufbau der Einrichtung |
| Materialhandhabung | Installieren Sie Geräte zur Handhabung von Pulver und stellen Sie den Arbeitern PSA zur Verfügung. |
| Nachbearbeitung | Reinigungsanlagen, Wärmebehandlung, HIP, Oberflächenbehandlung usw. |
| Software | Workflow-Software für Terminplanung, Verschachtelung, Prozessüberwachung |
| Ausbildung | Schulung von Ingenieuren in der Konstruktion und von Technikern in der Bedienung von Druckern |
| Sicherheit | Befolgen Sie die Verfahren zur Handhabung von Pulver und verfügen Sie über Brandbekämpfungssysteme. |
| Wartung | Planen Sie eine regelmäßige Wartung und Kalibrierung des Systems |
| Qualitätskontrolle | Messen von Abmessungen und Materialeigenschaften, Wiederholbarkeitstests |
| Zertifizierung | ISO 9001, AS9100 Zertifizierung für regulierte Industrien |
Die Wahl eines erfahrenen Dienstleisters kann bei der Einrichtung, dem Betrieb und der Zertifizierung von Anlagen für regulierte Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt oder medizinische Geräte helfen.
Vorteile der additiven Fertigung mit SLM
Zu den wichtigsten Vorteilen des SLM-3D-Drucks gehören:
SLM Additive Manufacturing Vorteile
| Vorteil | Beschreibung |
|---|---|
| Komplexe Geometrien | SLM kann hochkomplexe organische Formen und komplizierte interne Gitter und Kanäle herstellen |
| Kundenspezifische Teile | Einfache Erstellung kundenspezifischer Teile, die auf die Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten sind, ohne dass es zu Einschränkungen bei den Werkzeugen kommt |
| Gewichtsreduzierung | Gitterstrukturen und Topologieoptimierung ermöglichen leichte und stabile Konstruktionen |
| Konsolidierte Baugruppen | Kombinieren Sie mehrere Komponenten zu komplexen Einzelteilen |
| Schnelle Vorlaufzeiten | Drucken Sie Teile bei Bedarf direkt aus CAD-Daten, anstatt sie monatelang zu bearbeiten. |
| Reduzierter Abfall | Nur die benötigte Menge an Material verwenden, im Gegensatz zur Bearbeitung von Knüppeln |
| On-Demand-Produktion | Ermöglicht verteilte Just-in-Time-Fertigung in Kundennähe |
| Reduzierung der Bestände | Drucken Sie Teile nach Bedarf und reduzieren Sie so die Kosten für Werkzeuge, Lagerhaltung und Inventar |
| Leistungsstarke Materialien | Verarbeitung von hochentwickelten Metallen wie Titan und Superlegierungen zu Endverbrauchsteilen |
Aufgrund der Designfreiheit, der individuellen Anpassung von Teilen und der dezentralen Produktionsmöglichkeiten eignet sich SLM ideal für die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Industrie und der Automobilindustrie.
Grenzen der additiven Fertigung mit SLM
SLM hat einige Einschränkungen, unter anderem:
Grenzen der additiven Fertigung mit SLM
| Begrenzung | Beschreibung |
|---|---|
| Kosten der Maschine | SLM-Drucker haben hohe Investitionskosten, oft über $500.000 |
| Verfügbarkeit von Material | Derzeit auf reaktive Strukturmetalle und nicht auf Kunststoffe beschränkt |
| Genauigkeit | Die typische Genauigkeit von 0,1-0,2 mm ist geringer als bei der CNC-Bearbeitung. |
| Oberfläche | Die bedruckte Oberfläche ist relativ rau und hat einen Treppeneffekt. |
| Nachbearbeitung | Entfernung von Stützen, Bearbeitung, Polieren oft erforderlich |
| Druckgeschwindigkeit | Bauraten von typischerweise 5-100 cm³/Std. begrenzen die Geschwindigkeit gegenüber der Massenproduktion |
| Maximale Teilegröße | Begrenzt durch das Bauvolumen des Druckers, normalerweise unter 500 x 500 x 500 mm |
| Prozessüberwachung | Fehlende In-situ-Überwachung kann zu unentdeckten Mängeln führen |
| Fachwissen des Betreibers | SLM-Techniker benötigen eine umfangreiche Schulung zu den Verfahren |
| Materialkosten | Pulvermetalle können 2-5 mal teurer sein als Rohmaterial |
Für sehr hohe Genauigkeitsanforderungen, extrem große Teile oder Massenproduktionen sind subtraktive Verfahren wie die CNC-Bearbeitung in der Regel besser geeignet als das additive SLM.
Die Rolle von SLM in der Fertigung
SLM ist am besten geeignet für:
Beste Rollen für SLM in der Fertigung
| Rolle in der Fertigung | Beispiele |
|---|---|
| Schnelles Prototyping | Schnelle Design-Iterationen und Proof-of-Concept-Teile |
| Produktion von Kleinserien | Halterungen für die Luft- und Raumfahrt, Laufräder, medizinische Implantate |
| Werkzeuge für Brücken | Herstellung der ersten Einheiten, während die Spritzgussformen hergestellt werden |
| Teilweise Konsolidierung | Kombinieren mehrerer Komponenten zu Einzelteilen |
| Massenanpassung | Maßgeschneiderte Endprodukte wie zahnmedizinische Aligner |
| Verteilte Fertigung | Lokale Produktion in Kundennähe auf Abruf |
Bei sehr hohen Stückzahlen sind der konventionelle Druckguss oder der Kunststoffspritzguss in der Regel kostengünstiger als der SLM-3D-Druck. Aber für die Produktion von Kleinserien ist SLM hervorragend geeignet.
Die Zukunft der additiven SLM-Fertigung
Es wird erwartet, dass SLM in Zukunft durch weitere Anwendungen erweitert wird:
Die Zukunft von SLM
| Trend | Beschreibung |
|---|---|
| Größere Drucker | Bauvolumen über 1 Meter Länge und Höhe |
| Multi-Laser-Systeme | Multi-Laser-Maschinen mit höherer Leistung als 1 kW |
| Schnellere Geschwindigkeiten | Druckgeschwindigkeiten von bis zu 500 cc/h über gescannte Galvo-Laser |
| Neue Materialien | Hochtemperaturlegierungen, MMCs, neuartige Verbundwerkstoffe |
| Hybride Fertigung | Kombinierte AM- und subtraktive Verfahren in einem System |
| Automatisierte Nachbearbeitung | Reduzierte manuelle Arbeit für die Entfernung von Stützen und die Oberflächenbearbeitung |
| Prozessbegleitende Überwachung | In-situ-Überwachung von Schmelzbad, Pulverbett und Werkstückdefekten |
| Simulation | Physik-basierte Simulationen zur Vorhersage des Verhaltens und zur Optimierung von Konstruktionen |
| Maschinelles Lernen | KI für Design, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung |
| Digitale Lieferkette | Nahtloser digitaler Workflow vom Entwurf bis zur Produktion |
Auswahl eines SLM-Dienstleisters
Bei der Auswahl eines SLM-Dienstleisters sollten die Käufer Folgendes beachten:
Auswahl eines SLM-Dienstleisters
| Faktor | Beschreibung |
|---|---|
| Druckausrüstung | Suchen Sie nach seriösen industriellen Metalldruckern mit hoher Strahlkraft und großem Auftragsvolumen |
| Materialien | Fähigkeit zur Verarbeitung gewünschter Legierungen wie Titan, Werkzeugstahl, Edelstahl |
| Nachbearbeitung | Bieten Sie eine breite Palette von Nachbearbeitungsmöglichkeiten wie HIP, Bearbeitung, Polieren |
| Qualitätsverfahren | ISO 9001- oder AS9100-zertifiziert mit strengen Qualitätssicherungsprozessen |
| Erfahrung mit Anwendungen | Fachwissen und Fallstudien zu Zielanwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Medizintechnik |
| Design-Unterstützung | Fähigkeit zur Konstruktion und Optimierung von Teilen für die AM-Herstellung |
| Vorlaufzeiten | Fähigkeit, Muster- und Produktionsteile innerhalb des erforderlichen Zeitrahmens zu liefern |
| Vorbereitung der Datei | Akzeptieren von Standard-CAD- und Polygon-Dateiformaten mit Konstruktionsanalyse |
| Dienstleistungen nach dem Bau | Reinigung, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung, Beschichtung |
| Zusätzliche Dienstleistungen | Inspektion, Rapid Prototyping, Brückenkonstruktion, Gussteile, Formgebung |
| Preisgestaltung | Wettbewerbsfähige und skalierbare Preise für unterschiedliche Bauvolumen |
| Standort | Nähe für Lieferkettenlogistik und Kommunikation |
Die Wahl eines Dienstleisters, der vom Entwurf bis zur Nachbearbeitung über ein umfassendes Leistungsspektrum verfügt, gewährleistet qualitativ hochwertige Ergebnisse. Die Prüfung von Fallstudien und der Besuch von Einrichtungen hilft bei der Überprüfung der Erfahrung.
FAQs
F: Welche Materialien können mit der SLM-Technologie 3D-gedruckt werden?
A: SLM ist in der Lage, eine Reihe von reaktiven Metallen wie Edelstahl, Werkzeugstahl, Titanlegierungen, Nickelsuperlegierungen, Aluminiumlegierungen und Kobaltchrom zu bearbeiten. Die beliebtesten SLM-Materialien sind Titan Ti6Al4V und Aluminium AlSi10Mg.
F: Wie genau ist der SLM-3D-Druck?
A: SLM erreicht in der Regel eine Genauigkeit von 0,1-0,2 mm. Dies ist zwar niedriger als die CNC-Bearbeitungstoleranz, aber Nachbearbeitungen wie Bearbeitung und Polieren können die Genauigkeit verbessern. Featuregrößen unter 0,3 mm werden nicht empfohlen.
F: In welchen Branchen wird die additive Fertigung mit SLM eingesetzt?
A: Die Luft- und Raumfahrt, die Medizin- und Dentaltechnik, die Automobilindustrie und die Industrie sind heute wichtige Anwender der SLM-Technologie, da sie Vorteile wie Leichtbau, Teilekonsolidierung, kundenspezifische Massenfertigung und schnelle Durchlaufzeiten bieten.
F: Welche Nachbearbeitungen sind nach dem SLM-Druck erforderlich?
A: Zu den üblichen Nachbearbeitungen nach dem Druck gehören das Entfernen von Stützen, Wärmebehandlung zum Spannungsabbau, heißisostatisches Pressen (HIP), CNC-Bearbeitung, Polieren und Beschichten. Die Anforderungen hängen von der Anwendung, dem Material und den Anforderungen an das Finish ab.
F: Wie teuer ist der SLM-Metall-3D-Druck?
A: Industrielle SLM-Systeme reichen von $100.000 bis über $1 Million, je nach Bauvolumen, Laserleistung und Funktionen. Die Materialkosten für Metallpulver können das 2- bis 5-fache der Kosten für Rohmaterial betragen. Aber die Gesamtkosten gehen zurück.
F: Kann SLM Überhänge und komplexe Formen drucken?
A: Ja, SLM kann Geometrien wie Überhänge, Gitter und dünne Wände durch den Einsatz von Stützstrukturen drucken. Es ist eine sorgfältige Ausrichtung erforderlich, um Verformungen zu vermeiden und die Anforderungen an die Unterstützung auszugleichen.
F: Welche Software wird für den SLM-Druck verwendet?
A: SLM-Drucker werden mit proprietärer Software für den Druck geliefert. Zusätzliche Software wird für Design, Dateireparatur, Simulation, Bauvorbereitung, Verschachtelung, Bauverwaltung und Qualitätsmanagement verwendet.
F: Wie lange dauert es, ein Teil mit SLM in 3D zu drucken?
A: Die Druckzeiten reichen von Stunden bis zu Tagen, abhängig von der Teilegröße, der Geometriekomplexität und den Druckparametern. Für Metallteile arbeiten SLM-Drucker in der Regel mit einer Baurate von 5 bis 100 cc/Stunde. Größere Teile brauchen länger.
F: Kann SLM sichere und funktionelle Metallteile für den Endverbrauch herstellen?
A: Ja, mit dem richtigen Design und der richtigen Verarbeitung kann SLM vollständig dichte Metallteile herstellen, die die Materialeigenschaften traditionell hergestellter Teile für den funktionalen Endgebrauch in anspruchsvollen Anwendungen erfüllen oder übertreffen.