Eine SLS-Maschine, die im Centro de Pesquisas Renato Archer in Brasilien eingesetzt wird .
Das weltweit erste funktionsfähige Fahrrad aus gesintertem Nylon in der Ausstellung „The Power of Making“ im Victoria and Albert Museum , London (2011).

Selektives Lasersintern ( SLS ) ist ein additives Fertigungsverfahren , das einen Laser als Energie- und Wärmequelle nutzt, um pulverförmiges Material (typischerweise Nylon oder Polyamid ) zu sintern . Der Laser wird dabei automatisch auf Punkte im Raum gerichtet, die durch ein 3D-Modell definiert sind , wodurch das Material zu einer festen Struktur verbunden wird. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Es ähnelt dem selektiven Laserschmelzen ; beide Verfahren basieren auf demselben Konzept, unterscheiden sich jedoch in technischen Details. SLS (wie auch die anderen genannten additiven Fertigungsverfahren) ist eine relativ neue Technologie, die bisher hauptsächlich für Rapid Prototyping und die Kleinserienfertigung von Bauteilen eingesetzt wurde. Mit der zunehmenden Kommerzialisierung der additiven Fertigungstechnologie erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten in der Produktion.

Geschichte

Das selektive Lasersintern (SLS) wurde Mitte der 1980er-Jahre von Dr. Carl Deckard und seinem akademischen Berater Dr. Joe Beaman an der University of Texas in Austin unter der Förderung von DARPA entwickelt und patentiert . [ 4 ] Deckard und Beaman waren an der Gründung des Start-up-Unternehmens Desk Top Manufacturing (DTM) Corp. beteiligt, das SLS-Maschinen entwickelte und baute. Im Jahr 2001 wurde DTM Corp. von 3D Systems, dem größten Konkurrenten der SLS-Technologie, übernommen. [ 5 ] Das jüngste Patent für Deckards SLS-Technologie wurde am 28. Januar 1997 erteilt und lief am 28. Januar 2014 aus. [ 6 ]

Ein ähnliches Verfahren wurde 1979 von RF Housholder patentiert, jedoch nicht kommerzialisiert. [ 7 ]

Da SLS den Einsatz von Hochleistungslasern erfordert, ist es für den Heimgebrauch oft zu teuer und möglicherweise auch zu gefährlich. Die damit verbundenen Kosten und die potenzielle Gefahr des SLS-Drucks aufgrund des Mangels an kommerziell erhältlichen Lasersystemen mit Schutzgehäusen der Klasse 1 bedeuten, dass der Markt für SLS-Druck im Heimbereich nicht so groß ist wie der Markt für andere additive Fertigungstechnologien, beispielsweise das Schmelzschichtverfahren (FDM).

Technologie

SLS ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Hochleistungslaser ( z. B. ein Kohlendioxidlaser ) kleine Partikel aus Kunststoff- , Metall- , Keramik- oder Glaspulver zu einer Masse mit der gewünschten dreidimensionalen Form verschmilzt. Der Laser verschmilzt das pulverförmige Material selektiv, indem er Querschnitte, die aus einer digitalen 3D-Beschreibung des Bauteils (z. B. aus einer CAD- Datei oder Scandaten) generiert werden, auf der Oberfläche eines Pulverbetts abtastet. Nach dem Abtasten jedes Querschnitts wird das Pulverbett um eine Schichtdicke abgesenkt, eine neue Materialschicht aufgetragen und der Vorgang wiederholt, bis das Bauteil fertiggestellt ist. [ 8 ]

Selektives Lasersintern (SLS) 1 Laser 2 Scannersystem 3 Pulverfördersystem 4 Pulverförderkolben 5 Walze 6 Fertigungskolben 7 Fertigungspulverbett 8 Zu fertigendes Objekt (siehe Detailansicht) A Laserscanrichtung B Gesinterte Pulverpartikel (brauner Zustand) C Laserstrahl D Lasersintern E Vorab platziertes Pulverbett (grüner Zustand) F Nicht gesintertes Material in vorherigen Schichten

Da die Dichte des fertigen Bauteils von der maximalen Laserleistung und nicht von der Laserdauer abhängt, verwendet eine SLS-Maschine typischerweise einen gepulsten Laser . Die SLS-Maschine erwärmt das Pulvermaterial im Pulverbett etwas unterhalb seines Schmelzpunktes, um es dem Laser zu erleichtern, die Temperatur der ausgewählten Bereiche bis zum Schmelzpunkt zu erhöhen. [ 9 ]

Im Gegensatz zu SLA und FDM, die für die Herstellung überhängender Bauteile meist spezielle Stützstrukturen benötigen, kommt SLS ohne zusätzliches Material oder besondere Anforderungen an Stützstrukturen aus, da das Bauteil stets von ungesintertem Pulver umgeben ist. Dies ermöglicht die Fertigung bisher unmöglicher Geometrien. Da die Druckkammer der Maschine permanent mit Pulvermaterial gefüllt ist, kann durch das sogenannte „ Nesting “ Zeit und Kosten gespart werden, indem mehrere Teile gleichzeitig gedruckt werden. Während SLA- und FDM-Drucke hohle, aber vollständig geschlossene Bauteile ermöglichen, benötigt SLS für Hohlräume eine Öffnung, damit das ungesinterte Pulver abfließen kann.

Erschwingliche SLS-Drucker für den Heimgebrauch sind durch das Auslaufen entsprechender Patente möglich geworden. Der Heizprozess stellt jedoch weiterhin hohe Anforderungen: Der Stromverbrauch liegt bei bis zu 5 kW, und die Temperaturen müssen in den drei Phasen Vorheizen, Schmelzen und Lagern vor der Entnahme innerhalb von 2 °C gehalten werden. [1] Archiviert am 28.04.2015 im Internet Archive.

Materialien

Die Qualität gedruckter Strukturen hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Pulvereigenschaften wie Partikelgröße und -form, Dichte, Rauheit und Porosität. [ 10 ] Darüber hinaus haben die Partikelverteilung und ihre thermischen Eigenschaften einen signifikanten Einfluss auf die Fließfähigkeit des Pulvers. [ 11 ]

Kommerziell erhältliche Materialien für das selektive Laserschmelzen (SLS) liegen in Pulverform vor und umfassen unter anderem Polymere wie Polyamide (PA), Polystyrole (PS), thermoplastische Elastomere (TPE) und Polyaryletherketone (PAEK). [ 12 ] Polyamide sind aufgrund ihres idealen Sinterverhaltens als teilkristalline Thermoplaste die am häufigsten verwendeten SLS-Materialien . Sie ermöglichen die Herstellung von Bauteilen mit wünschenswerten mechanischen Eigenschaften. [ 13 ] Polycarbonat (PC) ist aufgrund seiner hohen Zähigkeit, thermischen Stabilität und Flammwidrigkeit ein für SLS interessantes Material. Allerdings weisen solche amorphen Polymere, die mittels SLS verarbeitet werden, tendenziell geringere mechanische Eigenschaften und/oder eine geringere Maßgenauigkeit auf und eignen sich daher nur für Anwendungen, bei denen diese Eigenschaften von geringerer Bedeutung sind. [ 13 ] Metallische Werkstoffe werden seit der Entwicklung des selektiven Laserschmelzens (SLM ) nicht mehr häufig für SLS verwendet .

Pulverherstellung

Pulverpartikel werden typischerweise durch kryogenes Mahlen in einer Kugelmühle bei Temperaturen deutlich unterhalb der Glasübergangstemperatur des Materials hergestellt. Diese Temperaturen lassen sich durch Zugabe von kryogenen Materialien wie Trockeneis (Trockenmahlen) oder Mischungen aus flüssigem Stickstoff und organischen Lösungsmitteln (Nassmahlen) erreichen. [ 14 ] Das Verfahren ermöglicht die Herstellung sphärischer oder unregelmäßig geformter Partikel mit einem Durchmesser von bis zu fünf Mikrometern . [ 14 ] Die Partikelgrößenverteilung ist typischerweise gaußförmig und liegt im Bereich von 15 bis 100 Mikrometern Durchmesser. Dieser Bereich kann jedoch an unterschiedliche Schichtdicken im SLS-Verfahren angepasst werden. [ 15 ] Chemische Bindemittelbeschichtungen können nach der Bearbeitung auf die Pulveroberflächen aufgebracht werden; [ 16 ] diese Beschichtungen unterstützen den Sinterprozess und sind besonders hilfreich bei der Herstellung von Verbundwerkstoffteilen, beispielsweise mit Aluminiumoxidpartikeln , die mit duroplastischem Epoxidharz beschichtet sind . [ 15 ]

Sintermechanismen

Diagramm zur Darstellung der Halsbildung zwischen zwei gesinterten Pulverpartikeln. Die ursprünglichen Formen sind rot dargestellt.

Das Sintern beim SLS-Verfahren findet primär im flüssigen Zustand statt, wenn sich an der Oberfläche der Pulverpartikel eine Mikroschmelzschicht bildet. Dies führt zu einer Viskositätsreduktion und zur Ausbildung einer konkaven radialen Brücke zwischen den Partikeln, der sogenannten Einschnürung [ 16 ]. Ursache hierfür ist die Reaktion des Materials, seine Oberflächenenergie zu senken. Bei beschichteten Pulvern dient der Laser dazu, die Oberflächenbeschichtung aufzuschmelzen, die als Bindemittel fungiert. Auch das Sintern im festen Zustand trägt dazu bei, jedoch mit deutlich geringerem Einfluss, und findet bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Materials statt. Die treibende Kraft hinter diesem Prozess ist wiederum die Reaktion des Materials, seinen freien Energiezustand zu senken, was zur Diffusion von Molekülen zwischen den Partikeln führt.

Anwendungen

Die SLS-Technologie findet aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe Geometrien mit geringem bis gar keinem zusätzlichen Fertigungsaufwand herzustellen, in vielen Branchen weltweit breite Anwendung. Am häufigsten wird sie für Prototypenteile in frühen Entwicklungsphasen eingesetzt , beispielsweise für Feingussmodelle , Automobilkomponenten und Windkanalmodelle . SLS findet auch zunehmend Verwendung in der Kleinserienfertigung zur Herstellung von Endprodukten für die Luft- und Raumfahrt, das Militär [ 17 ] , die Medizintechnik, die Pharmaindustrie [ 18 ] und die Elektronikindustrie. In der Fertigung kann SLS zur schnellen Herstellung von Werkzeugen, Vorrichtungen und Lehren eingesetzt werden . [ 19 ]

Vorteile

  • Das gesinterte Pulverbett ist vollständig selbsttragend und ermöglicht dadurch Folgendes:
    • Große Überhangwinkel (0 bis 45 Grad von der Horizontalen)
    • Komplexe Geometrien, die tief in Bauteile eingebettet sind, wie z. B. konforme Kühlkanäle
    • Serienfertigung mehrerer Teile, die in 3D-Anordnungen hergestellt werden, ein Prozess, der als Verschachtelung bezeichnet wird
  • Die Teile weisen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf.
  • Gute Chemikalienbeständigkeit
  • Verschiedene Oberflächenbehandlungsmöglichkeiten (z. B. Metallisierung, Einbrennlackierung, Vibrationsschleifen, Wannenfärbung, Verklebung, Pulverbeschichtung, Beschichtung, Beflockung)
  • Biokompatibel gemäß EN ISO 10993-1 [ 20 ] und USP/Stufe VI/121 °C
  • Komplexe Bauteile mit inneren Komponenten können hergestellt werden, ohne dass das Material eingeschlossen wird und die Oberfläche durch das Entfernen der Stützstrukturen verändert wird.
  • Schnellstes additives Fertigungsverfahren zum Drucken funktionaler, langlebiger Prototypen oder Endbenutzerteile
  • Große Auswahl an Materialien mit Eigenschaften wie Festigkeit, Haltbarkeit und Funktionalität
  • Aufgrund ihrer zuverlässigen mechanischen Eigenschaften können die Teile häufig typische Spritzgusskunststoffe ersetzen.

Nachteile

  • Die Teile weisen poröse Oberflächen auf; diese können durch verschiedene Nachbearbeitungsverfahren wie Cyanacrylatbeschichtungen [ 21 ] oder durch Heißisostatisches Pressen versiegelt werden .

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Lekurwale, Srushti; Karanwad, Tukaram; Banerjee, Subham (01.06.2022). „Selektives Lasersintern (SLS) von 3D-Druckteilen mit einem 3D-Drucker bestehend aus IR-/Rotdiodenlaser“ . Annals of 3D Printed Medicine . 6 100054. doi : 10.1016/j.stlm.2022.100054 . ISSN  2666-9641 . S2CID  247040011 .
  2. ^ Awad, Atheer; Fina, Fabrizio; Goyanes, Alvaro; Gaisford, Simon; Basit, Abdul W. (01.07.2021). „Fortschritte beim 3D-Druck mittels Pulverbettfusion in der Arzneimittelverabreichung und im Gesundheitswesen“ . Advanced Drug Delivery Reviews . 174 : 406–424 . doi : 10.1016/j.addr.2021.04.025 . ISSN 0169-409X . PMID 33951489. S2CID 233869672 .   
  3. ^ Charoo, Naseem A.; Barakh Ali, Sogra F.; Mohamed, Eman M.; Kuttolamadom, Mathew A.; Ozkan, Tanil; Khan, Mansoor A.; Rahman, Ziyaur (2020-06-02). „Selektives Lasersintern im 3D-Druck – ein Überblick über die Technologie und pharmazeutische Anwendungen“. Drug Development and Industrial Pharmacy . 46 (6): 869–877 . doi : 10.1080/03639045.2020.1764027 . ISSN 0363-9045 . PMID 32364418. S2CID 218490148 .   
  4. ^ Deckard, C., „Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Teilen durch selektives Sintern“, US-Patent 4,863,538 , eingereicht am 17. Oktober 1986, veröffentlicht am 5. September 1989.
  5. ^ Lou, Alex und Grosvenor, Carol „ Selective Laser Sintering, Birth of an Industry “, The University of Texas , 7. Dezember 2012. Abgerufen am 22. März 2013.
  6. ^ US5597589
  7. ^ Housholder, R., „Formverfahren“, US-Patent 4,247,508 , eingereicht am 3. Dezember 1979, veröffentlicht am 27. Januar 1981.
  8. ^ „Designleitfaden: Selektives Lasersintern (SLS)“ (PDF) . Xometry .
  9. ^ Prasad KDV Yarlagadda; S. Narayanan (Februar 2005). GCMM 2004: 1. Internationale Konferenz für Fertigung und Management . Alpha Science Int'l. S. 73–. ISBN 978-81-7319-677-5Abgerufen am 18. Juni 2011 .
  10. Leturia , M.; Benali, M.; Lagarde, S.; Ronga, I.; Saleh, K. (1. Februar 2014). „Charakterisierung der Fließeigenschaften kohäsiver Pulver: Eine vergleichende Studie traditioneller und neuer Prüfmethoden“ . Powder Technology . 253 : 406–423 . doi : 10.1016/j.powtec.2013.11.045 . ISSN 0032-5910 . 
  11. Leu , Ming C.; Pattnaik, Shashwatashish; Hilmas, Gregory E. (März 2012). „Untersuchung des Lasersinterns zur Freiformfertigung von Zirkondiborid-Bauteilen“. Virtual and Physical Prototyping . 7 (1): 25–36 . doi : 10.1080/17452759.2012.666119 . ISSN 1745-2759 . S2CID 137566316 .  
  12. ^ „Hochwertige Kunststoffmaterialien für die additive Fertigung“ . www.eos.info . Archiviert vom Original am 08.04.2019 . Abgerufen am 19.02.2019 .
  13. ^ a b Kloos, Stephanie; Dechet, Maximilian A.; Peukert, Wolfgang; Schmidt, Jochen (Juli 2018). „Herstellung sphärischer, teilkristalliner Polycarbonat-Mikropartikel für die additive Fertigung durch Flüssig-Flüssig-Phasentrennung“ . Powder Technology . 335 : 275–284 . doi : 10.1016/j.powtec.2018.05.005 . ISSN 0032-5910 . S2CID 103342613 .  
  14. ^ a b Schmidt, Jochen; Plata, Miguel; Tröger, Sulay; Peukert, Wolfgang (September 2012). „Herstellung von Polymerpartikeln unter 5 μm durch Nassmahlen“. Powder Technology . 228 : 84–90 . doi : 10.1016/j.powtec.2012.04.064 . ISSN 0032-5910 . 
  15. ^ a b Yang, Qiuping; Li, Huizhi; Zhai, Yubo; Li, Xiaofeng; Zhang, Peizhi (13.08.2018). „Die Synthese von mit Epoxidharz beschichteten Al₂O₃-Verbundwerkstoffen für das selektive Lasersintern im 3D-Druck“. Rapid Prototyping Journal . 24 (6): 1059–1066 . doi : 10.1108/rpj-09-2017-0189 . ISSN 1355-2546 . S2CID 139324761 .  
  16. Kruth , J. P .; Mercelis, P.; Van Vaerenbergh, J.; Froyen, L.; Rombouts, M. (Februar 2005). „ Bindungsmechanismen beim selektiven Lasersintern und selektiven Laserschmelzen“ . Rapid Prototyping Journal . 11 (1): 26–36 . doi : 10.1108/13552540510573365 . ISSN 1355-2546 . S2CID 53130687 .  
  17. ^ Islam, Muhammed Kamrul; Hazell, Paul J.; Escobedo, Juan P.; Wang, Hongxu (Juli 2021). „Biomimetische Panzerungsdesignstrategien für die additive Fertigung: Ein Überblick“ . Materials & Design . 205 109730. doi : 10.1016/j.matdes.2021.109730 .
  18. Trenfield , Sarah J.; Awad, Atheer; Goyanes, Alvaro; Gaisford, Simon; Basit, Abdul W. (Mai 2018). „3D-Druck von Arzneimitteln: Von der Arzneimittelentwicklung bis zur Patientenversorgung“. Trends in Pharmacological Sciences . 39 (5): 440–451 . doi : 10.1016/j.tips.2018.02.006 . ISSN 0165-6147 . PMID 29534837. S2CID 3845926 .   
  19. ^ „Übersicht über Anwendungen des selektiven Lasersinterns | Quickparts“ . www.3dsystems.com . Archiviert vom Original am 08.04.2019 . Abgerufen am 25.02.2019 .
  20. ^ Biologische Beurteilung von Medizinprodukten – Teil 1: Beurteilung und Prüfung im Rahmen eines Risikomanagementprozesses (ISO 10993-1:2009) . Internationale Organisation für Normung (ISO). 2009. OCLC 839985896 . 
  21. ^ "Selektives Lasersintern (SLS) Mississauga | SLS-Sintern" .