Selektives Laserschmelzen

Selektives Laserschmelzen ( SLM ) ist eine von vielen Markenbezeichnungen ^{[ 1 ]} für ein additives Fertigungsverfahren (AM) für Metalle, bei dem ein Pulverbett unter Wärmeeinwirkung zur Herstellung von Metallteilen genutzt wird. Auch bekannt als direktes Metall-Lasersintern ( DMLS ) , lautet die ASTM- Standardbezeichnung Pulverbettfusion ( PBF ). PBF ist ein Verfahren für schnelles Prototyping, 3D-Druck oder additive Fertigung , bei dem ein Laser mit hoher Leistungsdichte Metallpulver schmilzt und miteinander verschmilzt. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Das selektive Laserschmelzen ist eine von vielen patentierten Pulverbettfusionstechnologien, die 1995 am Fraunhofer-Institut ILT in Aachen entwickelt wurde . Ein Forschungsprojekt unter der Leitung von Wilhelm Meiners, Konrad Wissenbach und Andres Gasser führte zum sogenannten grundlegenden ILT-SLM-Patent. ^{[ 4 ]}

Das ASTM International F42-Normenkomitee ordnet das selektive Laserschmelzen der Kategorie „Lasersintern“ zu. Diese Bezeichnung ist jedoch irreführend, da das Verfahren das Metall vollständig zu einer homogenen, dichten Masse aufschmilzt, im Gegensatz zum selektiven Lasersintern (SLS), einem echten Sinterprozess . Eine weitere Bezeichnung für selektives Laserschmelzen ist direktes Metall-Lasersintern (DMLS), ein Name, der von der Marke EOS verwendet wird. Dieser Name ist jedoch irreführend, da das Bauteil während der Produktion geschmolzen und nicht gesintert wird, wodurch es vollständig dicht wird. ^{[ 5 ]}

Ein ähnliches Verfahren ist das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), bei dem ein Elektronenstrahl als Energiequelle dient. ^{[ 6 ]}

Selektives Laserschmelzen (SLM) ermöglicht die Verarbeitung einer Vielzahl von Legierungen und somit die Herstellung funktionsfähiger Prototypen aus demselben Material wie die Serienbauteile. Da die Bauteile Schicht für Schicht aufgebaut werden, lassen sich komplexe Freiformgeometrien, interne Strukturen und anspruchsvolle interne Kanäle realisieren, die mit konventionellen Fertigungsverfahren wie Gießen oder anderen Bearbeitungsmethoden nicht realisierbar wären. SLM erzeugt vollständig dichte, langlebige Metallteile, die sich sowohl als funktionsfähige Prototypen als auch als Serienbauteile eignen. ^{[ 7 ]}

Der Prozess beginnt mit dem Zerlegen der 3D -CAD- Datei in Schichten, üblicherweise 20 bis 100 Mikrometer dick, wodurch ein 2D-Querschnitt jeder Schicht entsteht. Dieses Dateiformat ist der Industriestandard .stl und wird bei den meisten schichtbasierten 3D-Druck- oder Stereolithografie- Technologien verwendet. Anschließend wird die Datei in eine Dateiaufbereitungssoftware geladen, die Parameter, Werte und physikalische Stützstrukturen zuweist, sodass die Datei von verschiedenen Arten additiver Fertigungsanlagen interpretiert und verarbeitet werden kann.

Beim selektiven Laserschmelzen werden dünne Schichten atomisierten Metallpulvers mittels eines Beschichtungsmechanismus gleichmäßig auf eine Substratplatte, üblicherweise aus Metall, aufgetragen. Diese ist auf einer Indexierplattform befestigt, die sich in vertikaler Richtung (Z-Achse) bewegt. Der Vorgang findet in einer Kammer mit einer streng kontrollierten Atmosphäre aus Inertgas (Argon oder Stickstoff) und einem Sauerstoffgehalt unter 1000 ppm statt. Nach dem Auftragen jeder Schicht wird jede 2D-Scheibe der Bauteilgeometrie durch selektives Aufschmelzen des Pulvers verschmolzen. Dies geschieht mit einem Hochleistungslaser, üblicherweise einem Ytterbium -Faserlaser mit mehreren hundert Watt. Der Laserstrahl wird mit zwei hochfrequenten Scanspiegeln in X- und Y-Richtung ausgerichtet und mithilfe einer F-Theta-Linse entlang der Schicht fokussiert. Die Laserenergie ist intensiv und fokussiert genug, um ein vollständiges Aufschmelzen (Verschmelzen) der Partikel zu einer festen Struktur zu ermöglichen. Der Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Bauteil fertiggestellt ist. ^{[ 8 ]}

SLM-Maschinen verwenden überwiegend einen Hochleistungs-Yb-Faserlaser mit Standard-Laserleistungen von 100–1000 W. Im Bauraum befinden sich eine Materialauftragsplattform und eine Bauplattform sowie ein Beschichtungssystem (Rakel oder Walze) zum gleichmäßigen Verteilen von neuem Pulver auf der Bauplattform. Die Bauteile werden additiv Schicht für Schicht aufgebaut, typischerweise mit Schichtdicken von 30–60 Mikrometern. ^{[ 9 ]}

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  Druck abgeschlossen (überschüssiges Pulver entfernt)

Selektives Laserschmelzen (SLM) ermöglicht einen Arbeitsbereich von bis zu 1 m (39,37 Zoll) in X-, Y- und Z-Richtung. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Zu den in diesem Verfahren verwendeten Werkstoffen zählen Nickelbasis-Superlegierungen, Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Werkzeugstahl, Kobalt-Chrom, Titan und Wolfram. SLM eignet sich besonders für die Herstellung von Wolframbauteilen aufgrund des hohen Schmelzpunkts und der hohen Duktil-Spröd-Übergangstemperatur dieses Metalls. ^{[ 12 ]} Für die Verarbeitung muss der Werkstoff in atomisierter Form (Pulver) vorliegen. Diese Pulver sind in der Regel gasatomisierte Vorlegierungen, da die Herstellung sphärischer Pulver im industriellen Maßstab am wirtschaftlichsten ist. Die Sphärizität ist erwünscht, da sie eine hohe Fließfähigkeit und Packungsdichte gewährleistet, was ein schnelles und reproduzierbares Auftragen der Pulverschichten ermöglicht. Hochsphärische Pulver mit geringer innerer Porosität werden durch Plasmaatomisierung und Pulversphäroidisierung hergestellt . ^{[ 13 ]} Zur weiteren Optimierung der Fließfähigkeit werden typischerweise enge Partikelgrößenverteilungen mit einem geringen Anteil an Feinstpartikeln, z. B. 15–45 μm oder 20–63 μm, eingesetzt. Zu den aktuell verfügbaren Legierungen, die in diesem Verfahren verwendet werden, gehören die Edelstähle AISI 316L, AISI 304, C67, F53, H13, 17-4 PH und 15-5 , Maraging -Stahl , Kobalt -Chrom , Inconel 625 und 718, Kupferlegierungen (CW510 Messing, Ecobrass, Bronze), ^{[ 14 ]} Aluminium , ^{[ 15 ]} AlSi10Mg und Titan Ti6Al4V. ^{[ 16 ]} Die mechanischen Eigenschaften von Proben, die mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt werden, unterscheiden sich von denen, die durch Gießen gefertigt wurden. ^{[ 17 ]} AlSiMg-Proben, die mittels Direktmetall-Lasersintern hergestellt wurden, weisen eine um 43 % höhere Streckgrenze auf als Proben aus handelsüblicher, gegossener A360.0-Legierung, wenn sie in der xy-Ebene aufgebaut sind, und eine um 36 % höhere in der z-Ebene. ^{[ 17 ]} Während die Streckgrenze von AlSiMg sowohl in der xy- als auch in der z-Ebene zunimmt, nimmt die Bruchdehnung in Aufbaurichtung ab. ^{[ 17 ]} Diese Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der mittels Direktmetall-Lasersintern hergestellten Proben wird auf ein sehr feines Mikrogefüge zurückgeführt. ^{[ 17 ]}

Zusätzlich hat der Druck der Industrie die Auswahl an verfügbaren Superlegierungspulvern, darunter AM108, erweitert. Nicht nur der Druckvorgang und die Ausrichtung beeinflussen die Materialeigenschaften, sondern auch die erforderliche Nachbearbeitung mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) und Kugelstrahlen. Diese führt zu deutlichen Unterschieden in den mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu gleichachsigen Guss- oder Schmiedewerkstoffen. Untersuchungen der Tokyo Metropolitan University zeigen, dass Kriechbruch und Duktilität bei additiv gedruckten Nickelbasis-Superlegierungen im Vergleich zu Schmiede- oder Gusswerkstoffen typischerweise geringer sind. ^{[ 18 ]} Die Druckrichtung ist neben der Korngröße ein wichtiger Einflussfaktor. Darüber hinaus sind die Verschleißeigenschaften, wie Studien an additiv gefertigtem Inconel 718 zeigen, aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit in der Regel besser. Die Studie demonstrierte auch den Einfluss der Laserleistung auf Dichte und Mikrostruktur. ^{[ 19 ]} Die durch die Laserbearbeitungsparameter erzeugte Materialdichte kann das Rissverhalten weiter beeinflussen: Eine höhere Dichte reduziert das Wiederöffnen von Rissen nach dem HIP-Prozess. Es ist unerlässlich, einen vollständigen Überblick über das Material sowie dessen Verarbeitung vom Druck bis hin zu den erforderlichen Nachbearbeitungsschritten zu haben, um die mechanischen Eigenschaften für den Konstruktionszweck abschließend bestimmen zu können.

Zu den Vorteilen des selektiven Laserschmelzens gehören: ^{[ 20 ]}

• Kostenreduzierung
• Verkürzung der Zeit zwischen Konstruktion und Fertigung
• Reduzierung der Anzahl der benötigten Teile in einer Konstruktion
• Reduzierung des Gewichts eines Produkts
• Verbesserung der Funktionalität eines Produkts

Aktuelle Herausforderungen beim selektiven Laserschmelzen (SLM) sind die begrenzte Auswahl an verarbeitbaren Werkstoffen, unzureichend entwickelte Prozesseinstellungen und metallurgische Defekte wie Rissbildung und Porosität. ^{[ 20 ]} Zukünftige Herausforderungen bestehen darin, dass aufgrund der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen keine vollständig dichten Bauteile hergestellt werden können. ^{[ 20 ]} Aluminiumpulver sind leicht, weisen ein hohes Reflexionsvermögen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Laserabsorption im Wellenlängenbereich der in SLM verwendeten Faserlaser auf. ^{[ 20 ]}

Diese Herausforderungen können durch weitere Forschung darüber, wie die Materialien beim Verschmelzen miteinander interagieren, gemeistert werden.

Trotz der großen Erfolge, die das selektive Laserschmelzen (SLM) in der additiven Fertigung erzielt hat , führt das Verfahren des Schmelzens eines pulverförmigen Materials mit einem konzentrierten Laser durch verschiedene Mechanismen zu diversen mikrostrukturellen Defekten, die die Gesamtfunktionalität und Festigkeit des gefertigten Bauteils beeinträchtigen können. Obwohl bereits viele Defekte erforscht wurden, werden wir in diesem Abschnitt einige der wichtigsten Defekte betrachten, die beim SLM-Verfahren auftreten können.

Zu den häufigsten mechanischen Defekten zählen mangelnde Verschmelzung (LOF) und Rissbildung in erstarrten Bereichen. Bei LOF schließt sich Gas im Gefüge ein, anstatt dass ein zusammenhängender Feststoff entsteht. Diese Defekte können durch eine zu schwache Laserquelle oder ein zu schnelles Scannen der Pulveroberfläche verursacht werden. Dadurch wird das Metall nicht ausreichend aufgeschmolzen und eine starke Bindung für die Erstarrung verhindert. Rissbildung ist ein weiterer mechanischer Defekt, bei dem eine geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten ausreichend hohe innere Spannungen erzeugen, um Bindungen im Material zu brechen, insbesondere entlang von Korngrenzen , wo Versetzungen vorhanden sind. ^{[ 22 ]}

Obwohl SLM eine Struktur aus geschmolzenem Metall erstarrt , führt die Thermofluiddynamik des Systems häufig zu inhomogenen Zusammensetzungen oder ungewollter Porosität , was sich kumulativ auf die Gesamtfestigkeit und Dauerfestigkeit einer gedruckten Struktur auswirken kann. Beispielsweise kann der gerichtete Laserstrahl beim direkten Auftreffen in einer schmalen „Schlüssellochzone“ oder im gesamten halbschmelzflüssigen Metall Konvektionsströme induzieren, die die Gesamtzusammensetzung des Materials beeinflussen können. ^{[ 23 ]} Ebenso wurde festgestellt, dass sich dendritische Mikrostrukturen während der Erstarrung entlang von Temperaturgradienten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten und dadurch unterschiedliche Entmischungsprofile im Material erzeugen. ^{[ 24 ]} Letztendlich führen diese thermofluiddynamischen Phänomene zu unerwünschten Inkonsistenzen im gedruckten Material, weshalb weitere Forschung zur Minderung dieser Effekte weiterhin notwendig ist.

Die Porenbildung ist ein bedeutender Defekt bei der Fertigung von Proben mittels SLM. Sie entsteht durch die schnelle Bildung und das anschließende Zusammenfallen tiefer, hohlraumartiger Vertiefungen in der Oberfläche, die das Schutzgas im erstarrenden Metall einschließen. ^{[ 25 ]} Ein weiterer möglicher Grund für die Porenbildung ist der sogenannte Kugeleffekt, der häufig bei austenitischen Edelstählen auftritt. ^{[ 26 ]} Eine schlechte Benetzbarkeit der Oberfläche und geringe Energiezufuhr können zum Aufbrechen der Schmelzspur führen, um den Energieaufwand zu minimieren. Dadurch bilden sich mehrere kugelförmige Schmelzpunkte, die nach der Erstarrung Poren hinterlassen. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Schließlich können Sekundäreffekte des Laserstrahls die Eigenschaften der Struktur unbeabsichtigt beeinflussen. Ein Beispiel hierfür ist die Bildung von Sekundärphasenausscheidungen im Inneren der Struktur aufgrund der wiederholten Erwärmung der erstarrten unteren Schichten beim Abtasten des Pulverbetts mit dem Laserstrahl. Abhängig von der Zusammensetzung der Ausscheidungen kann dieser Effekt wichtige Elemente aus dem Grundmaterial entfernen oder die gedruckte Struktur sogar verspröden . ^{[ 29 ]} Darüber hinaus können in oxidhaltigen Pulverbetten die Laserleistung und die erzeugten Konvektionsströme Oxide verdampfen und an anderen Stellen verteilen. Diese Oxide lagern sich ab und weisen ein nicht benetzendes Verhalten auf, wodurch eine Schlacke entsteht, die nicht nur die positiven Eigenschaften der Oxide im Material aufhebt, sondern auch ein mechanistisch günstiges Mikromilieu für Materialrisse schafft.

Beim selektiven Laserschmelzen (SLM) treten hohe Temperaturgradienten auf, die zu Nichtgleichgewichtsbedingungen an der Fest/Flüssig-Grenzfläche führen. Dies bewirkt eine rasche Erstarrung, da das Schmelzbad einen Phasenübergang von flüssig zu fest durchläuft. Infolgedessen können vielfältige Effekte auftreten, wie die Bildung von Nichtgleichgewichtsphasen und Veränderungen der Mikrostruktur.

Aus den oben genannten Gründen können die mechanischen Eigenschaften von mittels SLM hergestellten Legierungen im unbehandelten Zustand erheblich von denen konventionell gefertigter Legierungen abweichen. Ein zentrales Merkmal von SLM-gefertigten Legierungen ist die ausgeprägte Anisotropie der mechanischen Eigenschaften. Während das Korngefüge in Gussmetallen typischerweise durch annähernd gleichmäßige, isotrope Körner gekennzeichnet ist, weisen SLM-gefertigte Legierungen eine deutliche Kornstreckung in Aufbaurichtung auf. ^{[ 30 ]} Die Anisotropie des Korngefüges korreliert mit der Anisotropie der Defektverteilung, der Rissausbreitungsrichtung und letztlich der mechanischen Eigenschaften.

Andererseits ergeben sich aufgrund der besonderen thermokinetischen Eigenschaften des SLM-Verfahrens viele neuartige Mikrostrukturarchitekturen, die für dieses Verfahren einzigartig sind. Als neues Verarbeitungsverfahren kann SLM eine einzigartige Mikrostruktur erzeugen, die mit konventionellen Techniken nur schwer zu realisieren ist.

Verbesserungen der Kriechfestigkeit , der Zugfestigkeit und der Zähigkeit wurden bei Nickellegierungen berichtet. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} Inconel IN625, eine ausscheidungshärtende Nickel-Chrom-Legierung, zeigte bei erhöhten Temperaturen von 650 °C und 800 °C eine gleichwertige oder sogar höhere Kriechfestigkeit als gewalztes IN625. Allerdings wies SLM-gefertigtes IN625 unter Kriechversuchsbedingungen eine geringere Duktilität auf. Durch zyklische Wärmebehandlungen konnte sowohl SLM- als auch gewalztes IN625 eine zusätzliche Festigkeit erzielen. Die zusätzliche Festigkeit der Legierungen war im Allgemeinen proportional zum Volumenanteil der γ- Phase (bei 650 °C) bzw. der δ-Phase (bei 800 °C) in der Matrix . ^{[ 31 ]}

Die Dauerfestigkeit und Härte von SLM-gefertigten Legierungen unter zyklischer Belastung bei hohen Temperaturen ist jedoch tendenziell deutlich geringer als die von Guss- oder Schmiedelegierungen. Bei der Superlegierung Inconel IN718 stellten Forscher fest, dass das additiv gefertigte Material große, säulenförmige Körner mit einer Ausrichtung parallel zur Aufbaurichtung aufwies, während das Schmiedematerial ein feinkörniges Gefüge ohne signifikante Textur zeigte. ^{[ 33 ]}

Die additive Fertigung von Nickel-Superlegierungen mittels SLM stellt aufgrund der komplexen Zusammensetzung dieser Legierungen weiterhin eine große Herausforderung dar. Durch die Vielzahl an Legierungselementen und den hohen Aluminium-/Titananteil bilden diese Werkstoffe bei der Konsolidierung mittels SLM verschiedene Sekundärphasen, was die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt und zu Schwachstellen im Gefüge führt.

Edelstahl der Güteklasse 316L ist eine austenitische Eisenlegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (< 0,03 %). Zug- und Kriechversuche an 316L-Stahl bei 600 °C und 650 °C ergaben, dass der im SLM-Verfahren hergestellte Stahl die minimale Kriechgeschwindigkeit bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreichte – etwa eine Zehnerpotenz niedriger als der gewalzte Stahl. ^{[ 34 ]} Die Zellstruktur gilt als Hauptursache für die Unterschiede im Verformungsverhalten, insbesondere in der ersten Kriechphase, da sie die Kaltverfestigung des Materials begrenzt. Auch die Zugfestigkeit (UTS) ist bei additiv gefertigten Proben geringer, da die Kaltverfestigung vernachlässigbar ist. ^{[ 35 ]}

Der Bruch im SLM-gefertigten Material erfolgt hauptsächlich zwischen den Körnern. Die Schädigung der Korngrenzen führt zu Rissbildung und schließlich zum Materialversagen. Die Verformung wird durch das Auftreten von Ausscheidungen an den Korngrenzen verursacht und beschleunigt. Die höhere Stapelfehlerenergie (SFE) des SLM-Stahls 316L trug vermutlich ebenfalls zu seinem Kriechverhalten bei. ^{[ 34 ]}

Das selektive Laserschmelzen (SLM) eignet sich besonders für komplexe Geometrien und Strukturen mit dünnen Wänden und verborgenen Hohlräumen oder Kanälen sowie für kleine Losgrößen. Vorteile bietet die Herstellung von Hybridformen, bei denen massive und teilgeformte oder gitterartige Geometrien zu einem einzigen Objekt kombiniert werden können, beispielsweise Hüftprothesen, Hüftgelenkpfannen oder andere orthopädische Implantate, bei denen die Osseointegration durch die Oberflächengeometrie verbessert wird. Pionierarbeit mit SLM-Technologien konzentriert sich größtenteils auf Leichtbauteile für die Luft- und Raumfahrt ^{[ 36 ]} , wo traditionelle Fertigungsbeschränkungen wie Werkzeugbedarf und eingeschränkter Zugang zu den Oberflächen die Bauteilkonstruktion schränken. SLM ermöglicht den additiven Aufbau von Bauteilen in endkonturnaher Form, anstatt Material abzutragen. ^{[ 37 ]}

Traditionelle Fertigungsverfahren für große Stückzahlen weisen relativ hohe Rüstkosten auf (z. B. Spritzgießen , Schmieden , Feingießen ). SLM ist derzeit aufgrund seiner Zeitabhängigkeit und der hohen Investitionskosten der Anlagen mit hohen Stückkosten verbunden. Für begrenzte Stückzahlen kundenspezifischer Teile bleibt das Verfahren jedoch für verschiedene Anwendungsbereiche attraktiv. Dies gilt beispielsweise für Ersatzteile für veraltete Geräte und Maschinen (z. B. Oldtimer) oder für individualisierte Produkte wie Implantate für einzelne Patienten.

Tests des Marshall Space Flight Center der NASA , das mit dieser Technik experimentiert, um einige schwer herzustellende Teile aus Nickellegierungen für die Raketentriebwerke J-2X und RS-25 zu fertigen , zeigen, dass die mit dieser Technik hergestellten Teile zwar etwas schwächer sind als geschmiedete und gefräste Teile, aber oft die Notwendigkeit von Schweißnähten vermeiden, die Schwachstellen darstellen. ^{[ 36 ]}

Diese Technologie wird zur Herstellung von Bauteilen für verschiedene Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Zahnmedizin, Medizintechnik und andere Branchen mit kleinen bis mittelgroßen, hochkomplexen Bauteilen. Auch die Werkzeugindustrie nutzt sie zur Herstellung von Werkzeugeinsätzen oder Teilen mit kurzen Lieferzeiten. Die Technologie wird sowohl für Rapid Prototyping verwendet, da sie die Entwicklungszeit neuer Produkte verkürzt, als auch in der Serienfertigung, um durch die Vereinfachung von Baugruppen und komplexen Geometrien Kosten zu sparen. ^{[ 38 ]}

Die Northwestern Polytechnical University in China verwendet ein ähnliches System zur Herstellung von Titan-Strukturbauteilen für Flugzeuge. ^{[ 39 ]} Eine Studie von EADS zeigt, dass der Einsatz dieses Verfahrens den Materialverbrauch und den Abfall in der Luft- und Raumfahrt reduzieren würde. ^{[ 40 ]}

Am 5. September 2013 twitterte Elon Musk ein Bild der regenerativ gekühlten SuperDraco -Raketentriebwerkskammer von SpaceX , die aus einem EOS-3D-Metalldrucker kam, und merkte an, dass sie aus der Superlegierung Inconel bestehe . ^{[ 41 ]} Überraschenderweise gab SpaceX im Mai 2014 bekannt, dass die flugqualifizierte Version des SuperDraco-Triebwerks vollständig gedruckt und damit das erste vollständig gedruckte Raketentriebwerk sei . Das Triebwerk, das aus Inconel, einer Nickel-Eisen-Legierung, besteht und additiv mittels direktem Metall-Lasersintern (DMLS) hergestellt wird, arbeitet bei einem Kammerdruck von 6.900 Kilopascal (1.000 psi) und einer sehr hohen Temperatur. Die Triebwerke sind in einer ebenfalls im DMLS-Verfahren gedruckten Schutzgondel untergebracht, um die Ausbreitung von Fehlern im Falle eines Triebwerksausfalls zu verhindern. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} Das Triebwerk absolvierte im Mai 2014 einen vollständigen Qualifikationstest und soll im April 2018 seinen ersten orbitalen Raumflug absolvieren. ^{[ 45 ]}

Die Möglichkeit, die komplexen Bauteile im 3D-Druckverfahren herzustellen, war entscheidend für die Erreichung des Ziels eines geringen Triebwerksgewichts. Elon Musk erklärte : „Es ist ein sehr komplexes Triebwerk, und es war äußerst schwierig, alle Kühlkanäle, den Einspritzkopf und den Drosselmechanismus herzustellen. Die Möglichkeit, hochfeste, moderne Legierungen zu drucken, war entscheidend für die Realisierung des SuperDraco-Triebwerks in seiner jetzigen Form.“ ^{[ 46 ]} Das 3D-Druckverfahren für das SuperDraco-Triebwerk verkürzt die Vorlaufzeit im Vergleich zu herkömmlichen Gussteilen erheblich und bietet „überlegene Festigkeit , Duktilität und Bruchfestigkeit bei geringerer Streuung der Materialeigenschaften .“ ^{[ 47 ]}

Ebenfalls im Jahr 2018 genehmigte die FDA das erste 3D-gedruckte Wirbelsäulenimplantat aus Titan, das mittels SLM hergestellt wurde. ^{[ 48 ]}

• Luft- und Raumfahrt – Luftkanäle, Vorrichtungen oder Halterungen für spezifische Luftfahrtinstrumente: Lasersintern erfüllt sowohl die Anforderungen der zivilen als auch der militärischen Luft- und Raumfahrt.
• Energie – Laserschmelzen kann zur Herstellung innovativer Pumpenlaufräder, Hochdruckreaktoren und schwer erhältlicher Ersatzteile eingesetzt werden.
• Fertigung – Lasersintern eignet sich für Nischenmärkte mit geringen Stückzahlen zu wettbewerbsfähigen Kosten. Da Lasersintern unabhängig von Skaleneffekten ist, entfällt die Konzentration auf die Optimierung der Losgröße.
• Medizinprodukte – Medizinprodukte sind komplexe, hochwertige Produkte. Sie müssen die Kundenanforderungen exakt erfüllen. Diese Anforderungen ergeben sich nicht nur aus den persönlichen Präferenzen des Anwenders: Auch regional stark unterschiedliche gesetzliche Vorgaben und Normen müssen eingehalten werden. Dies führt zu einer Vielzahl von Varianten und damit zu geringen Stückzahlen. Zudem gewinnt die additive Fertigung von Implantaten aus biologisch abbaubaren Metallen zunehmend an Bedeutung. ^{[ 49 ]}
• Prototyping – Lasersintern kann hierbei hilfreich sein, da es die Herstellung von Design- und Funktionsprototypen ermöglicht. Dadurch können Funktionstests schnell und flexibel durchgeführt werden. Gleichzeitig können diese Prototypen genutzt werden, um die potenzielle Kundenakzeptanz zu ermitteln. ^{[ 50 ]}
• Werkzeugbau – Das Direktverfahren eliminiert die Werkzeugweggenerierung und mehrere Bearbeitungsprozesse wie EDM. Werkzeugeinsätze werden über Nacht oder sogar in nur wenigen Stunden gefertigt. Die Gestaltungsfreiheit kann zudem zur Optimierung der Werkzeugleistung genutzt werden, beispielsweise durch die Integration von konturnahen Kühlkanälen in das Werkzeug. ^{[ 51 ]}

• Teile mit Hohlräumen, Hinterschneidungen, Entformungswinkeln
• Passform-, Form- und Funktionsmodelle
• Werkzeuge, Vorrichtungen und Lehren
• Konforme Kühlkanäle
• Rotoren und Laufräder
• Komplexe Klammerung ^{[ 52 ]}

Durch Laserschmelzen lassen sich chemische Strukturen (reine Metalle, deren Oxide und Carbide ) sowie physikalische Strukturen (homogene Werkstoffe, Legierungen , Verbundwerkstoffe , Gold-Eisen-, Gold-Kobalt- und Gold-Nickel-Legierungen ) erzeugen. ^{[ 53 ]}

Selektives Laserschmelzen oder additive Fertigung, auch bekannt als Rapid Manufacturing oder Rapid Prototyping , steckt noch in den Kinderschuhen und wird im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie der Bearbeitung, dem Gießen oder dem Schmieden von Metallen relativ selten angewendet. Wie jedes Verfahren muss auch das selektive Laserschmelzen an die jeweilige Aufgabe angepasst werden. Branchen wie die Luft- und Raumfahrt oder die medizinische Orthopädie evaluieren die Technologie als Fertigungsverfahren. Die Akzeptanzhürden sind hoch, und die Einhaltung von Vorschriften führt zu langen Zertifizierungs- und Qualifizierungszeiten. Dies zeigt sich im Fehlen ausgereifter internationaler Standards zur Messung der Leistungsfähigkeit konkurrierender Systeme. Der betreffende Standard ist ASTM F2792-10 „Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies“.

Die Anwendung von SLS bezieht sich auf das Verfahren zur Bearbeitung verschiedener Materialien wie Kunststoffe, Glas, Keramik und Metalle. ^{[ 54 ]} SLM unterscheidet sich von anderen 3D-Druckverfahren durch die Möglichkeit, das Pulver vollständig zu schmelzen, anstatt es nur bis zu einem bestimmten Punkt zu erhitzen, an dem die Pulverkörner verschmelzen. Dadurch lässt sich die Porosität des Materials kontrollieren. SLM geht sogar noch einen Schritt weiter als SLS, indem es den Laser zum vollständigen Aufschmelzen des Metalls nutzt. Das Pulver wird also nicht nur verschmolzen, sondern so lange verflüssigt, bis die Pulverkörner zu einem homogenen Bauteil verschmelzen. SLM ermöglicht die Herstellung festerer Bauteile aufgrund der reduzierten Porosität und der besseren Kontrolle über die Kristallstruktur, was Bauteilversagen vorbeugt. Zusätzlich können bestimmte Nanopartikel mit minimaler Gitterfehlpassung, ähnlicher Atompackung entlang passender kristallographischer Ebenen und thermodynamischer Stabilität in das Metallpulver eingebracht werden. Diese dienen als Keime für die Kornfeinung und führen zu rissfreien, gleichachsigen, feinkörnigen Mikrostrukturen. ^{[ 55 ]} SLM ist jedoch nur dann durchführbar, wenn ein einziges Metallpulver verwendet wird.

SLM bietet gegenüber traditionellen Fertigungsverfahren viele Vorteile. Die Möglichkeit, schnell einzigartige Teile herzustellen, ist der offensichtlichste Vorteil, da keine Spezialwerkzeuge benötigt werden und die Teile innerhalb weniger Stunden gefertigt werden können.

SLM ist zudem eine der wenigen additiven Fertigungstechnologien, die in der Produktion eingesetzt werden. Da die Bauteile Schicht für Schicht aufgebaut werden, lassen sich interne Strukturen und Kanäle realisieren, die sich nicht gießen oder anderweitig bearbeiten ließen. Komplexe Geometrien und Baugruppen mit mehreren Komponenten können vereinfacht und durch weniger, leichtere Teile kostengünstiger gefertigt werden. SLM benötigt keine Spezialwerkzeuge wie Gussteile und eignet sich daher besonders für Kleinserien.

Verschiedene Komponenten, Umgebungsbedingungen und Materialaspekte beeinflussen die Umweltauswirkungen des SLM-Verfahrens. Die für die Herstellung des Druckers – der aus über 500 Teilen besteht – benötigte Energie beträgt etwa 124.000 MJ für einen Standard-Renishaw AM250. ^{[ 56 ]} Stahl ist das Hauptmaterial und zu 100 % recycelbar. ^{[ 57 ]} Um die Recyclingfähigkeit optimal zu nutzen, kann ein Cradle-to-Cradle-Ansatz implementiert werden, der die fachgerechte Entsorgung aller Stahlteile nach deren Nutzungsende durch Demontage sicherstellt. Der Stromverbrauch ist oft der energieintensivste Faktor des Druckers, da Hochleistungslaser, Kühler, Konfigurationen und die Teiletrennung dazu beitragen. Geringeres Teilevolumen, längere aktive und Leerlaufzeiten (z. B. durch laufende Kühler) sowie die Funkenerosion (EDM) erhöhen den Energieverbrauch. Der Energieverbrauch vor Ort während des Betriebs kann bei etwa 640 MJ pro Bauteil liegen, während ein effizienterer Betrieb etwa 40 MJ pro Bauteil erfordert. Ein wichtiger Faktor für mehr Umweltfreundlichkeit ist die Nutzung vollständig erneuerbarer Energien anstelle von Strom aus Gas oder Kohle. Betrachtet man die gesamte graue Energie des Lebenszyklus, so verbrauchen weniger effiziente Druckverfahren über 2400 MJ pro Bauteil, während effizientere Verfahren nur 140 MJ pro Bauteil benötigen. Letztendlich hängt die gesamte graue Energie aller hergestellten Bauteile von vielen Faktoren ab, ist aber fast immer während der Druckphase und insbesondere bei langen Stillstandszeiten sowie der Nachbearbeitung mittels EDM dominant. Eine Ausnahme bilden Forschungsumgebungen, in denen die Maschine nicht ständig und nur selten genutzt wird. In diesem Fall ist die graue Energie der primären Verarbeitung und Fertigung am größten.

Die Transportkosten variieren je nach Produktionsstätte und Verbraucher, sind aber im Vergleich zu anderen kostenintensiven Aspekten des SLM-Lebenszyklus oft vernachlässigbar (<1 %). Weitere Faktoren, die zwar vernachlässigbar, aber mitunter schwankend sind, sind: der Einsatz von Inertgas, Materialabfall (Pulver), die verwendeten Materialien, die Zerstäubung und die Entsorgung von Maschinenkomponenten.

Je nach Bauteil und dessen Verwendungszweck ermöglicht SLM die Herstellung leichterer Bauteile mit komplexen Abmessungen. Dadurch werden energieintensive Nachbearbeitungsverfahren wie EDM oder CNC-Bearbeitung reduziert und das Bauteilgewicht verringert. ^{[ 58 ] [ 59 ]} Ein direkter Vergleich ist oft nur durch die Betrachtung von Bauteilen möglich, die mit zwei verschiedenen Verfahren hergestellt wurden. Ein Beispiel hierfür ist eine Turbinenschaufel, die im Feinguss- und im SLM-Verfahren gefertigt wurde . Für die Herstellung desselben Bauteils wurden 10.853,34 kWh bzw. 10.181,57 kWh Energie verbraucht. ^{[ 60 ]} Die konventionelle Fertigung verursachte 7.325 kg CO₂- _Emissionen, während die additive Fertigung (AM) 7.027 kg CO₂-Emissionen aufwies _. Dies bedeutet, dass AM in diesem konkreten Fall einen Vorteil von 4 % bietet, was angesichts der weltweit 25.578 Flugzeuge einen erheblichen Unterschied ausmachen kann. ^{[ 61 ]} Ein weiteres Beispiel ist die Gewichtsreduzierung um 1 kg an einem Hydraulikventilgehäuse. Dadurch lassen sich schätzungsweise 24.500 Liter Kerosin und 63 Tonnen CO₂ _- Emissionen einsparen, da die Leichtbauweise und der Materialverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden geringer ausfallen. ^{[ 59 ]} SLM ist aufgrund des geringeren Rohmaterialverbrauchs, des weniger komplexen Werkzeugeinsatzes, des Potenzials für leichte Bauteile, der nahezu perfekten Endgeometrien und der bedarfsgerechten Fertigung oft die nachhaltigere Option. ^{[ 62 ]}

Aspekte wie Größe, Detailgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit sowie Maßabweichungen in Z-Richtung sollten vor dem Einsatz der Technologie berücksichtigt werden. Durch eine sorgfältige Planung des Fertigungsprozesses, bei dem die meisten Merkmale während des Materialauftrags in X- und Y-Richtung erzeugt werden, lassen sich die Toleranzen jedoch gut kontrollieren. Für spiegelglatte oder extrem glatte Oberflächen ist in der Regel eine Politur erforderlich.

Bei der Fertigung von Werkzeugen muss die Materialdichte des fertigen Teils oder Einsatzes vor der Verwendung berücksichtigt werden. Beispielsweise führen Oberflächenunebenheiten bei Spritzguss-Einsätzen zu Fehlern im Kunststoffteil. Die Einsätze müssen daher mit der Formbasis passgenau durch Temperatur und Oberflächenbeschaffenheit verbunden werden, um Probleme zu vermeiden.

Unabhängig vom verwendeten Materialsystem hinterlässt das SLM-Verfahren eine körnige Oberflächenbeschaffenheit aufgrund der „Pulverpartikelgröße, der schichtweisen Aufbaufolge und [der Verteilung des Metallpulvers vor dem Sintern durch den Pulververteilungsmechanismus]“. ^{[ 63 ]}

Das Entfernen der metallischen Stützstruktur und die Nachbearbeitung des erzeugten Teils können ein zeitaufwändiger Prozess sein und den Einsatz von Bearbeitungs- , EDM- und/oder Schleifmaschinen erfordern, die die gleiche Genauigkeit wie die RP-Maschine aufweisen.

Durch Laserpolieren mittels oberflächlichem Oberflächenschmelzen von SLM-gefertigten Teilen lässt sich die Oberflächenrauheit reduzieren . Dabei kommt ein schnell bewegter Laserstrahl zum Einsatz, der „gerade genug Wärmeenergie liefert, um die Oberflächenspitzen aufzuschmelzen. Die geschmolzene Masse fließt dann durch Oberflächenspannung , Schwerkraft und Laserdruck in die Oberflächentäler und verringert so die Rauheit.“ ^{[ 63 ]}

Bei der Verwendung von Rapid-Prototyping-Maschinen müssen .stl-Dateien, die ausschließlich binäre Rohdaten des Netzes enthalten (generiert aus SolidWorks , CATIA oder anderen gängigen CAD-Programmen), in .cli- und .sli-Dateien konvertiert werden (das Format, das für Maschinen ohne Stereolithografie benötigt wird). ^{[ 64 ]} Die Konvertierung von .stl- in .sli-Dateien erfolgt per Software; wie bei allen weiteren Schritten können auch hier Kosten entstehen.

Zu den typischen Komponenten einer SLM-Maschine gehören: Laserquelle, Walze, Plattformkolben, abnehmbare Bauplatte, Pulverzufuhr, Dosierung (z. B. durch Kolben) sowie Optik und Spiegel. ^{[ 65 ]} Der typische Bauraum beträgt bei den meisten Plattformen (z. B. bei der EOS M 290 ^{[ 66 ]} ) 250 x 250 x 325 mm, und die Maschine ermöglicht das gleichzeitige Herstellen mehrerer Bauteile.

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• „So funktioniert selektives Laserschmelzen“ . THRE3D.com. Archiviert vom Original am 21. Februar 2014. Abgerufen am 11. Februar 2014 .
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