Selektives Lasersintern

Wenn wir FDM als den Hobbyanwender und SLA als den Künstler sehen, dann ist SLS (Selektives Lasersintern) der Ingenieur. Diese Technologie ist seit Jahrzehnten das Rückgrat der Rapid-Prototyping-Industrie und wird immer häufiger für die tatsächliche Produktion von Endbauteilen eingesetzt. Wo andere Techniken oft mit dem Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Gestaltungsfreiheit kämpfen, bietet SLS eine einzigartige Lösung: Drucken mit Pulver.

SLS-Bauteile sind nicht einfach nur Kunststoffprototypen. Es sind robuste, funktionale Komponenten, die Spritzgussteilen oft in nichts nachstehen. Sie werden in allem eingesetzt, von Prothesen und Brillengestellen bis hin zu Luftkanälen in Flugzeugen. Das Geheimnis liegt im Material (meist Nylon) und in der Art und Weise, wie dieses verschmolzen wird.

Wie funktioniert der Sinterprozess?

SLS ist eine Pulverbett-Technologie. Der Drucker besteht aus einer großen Kammer, die auf knapp unter den Schmelzpunkt des Kunststoffpulvers erhitzt wird. Das ist entscheidend: Die gesamte Umgebung ist heiß, sodass der Laser gleich nur noch sehr wenig zusätzliche Energie aufbringen muss, um das Pulver zu schmelzen.

Der Prozess beginnt mit einem Recoater (einer Walze oder einer Klinge), der eine hauchdünne Pulverschicht (oft 0,1 mm) über die Bauplattform verteilt. Anschließend trifft ein leistungsstarker CO2-Laser auf das Pulverbett. Der Laser scannt den Querschnitt des Modells. Dort, wo der Laserstrahl das Pulver berührt, steigt die Temperatur gerade so weit an, dass die Pulverpartikel miteinander verschmelzen (sintern). Die Partikel fließen zu einer festen Masse zusammen.

Sobald die Schicht fertig ist, senkt sich die Bauplattform ein kleines Stück ab und der Recoater trägt eine neue Schicht frischen Pulvers auf. Dieser Prozess wiederholt sich tausende Male, bis der Pulverblock voller gedruckter Teile ist.

Die Magie: Drucken ohne Stützmaterial

Der mit Abstand größte Vorteil von SLS gegenüber FDM oder SLA ist das Fehlen von Stützstrukturen. Bei anderen Techniken würde ein freischwebendes Teil durch die Schwerkraft einstürzen. Bei SLS liegt jede gedruckte Schicht sicher eingebettet in dem nicht gesinterten Pulver, das sie umgibt.

Dieser selbsttragende Effekt gibt Konstrukteuren eine beispiellose Freiheit. Man kann komplexe, ineinandergreifende Teile drucken, etwa eine Kette, die bereits montiert aus dem Drucker kommt, oder Scharniere, die sofort funktionieren. Auch interne Kanäle für Luft oder Flüssigkeit sind kein Problem, solange man das lose Pulver anschließend ausschütteln kann.

Nesting: Effizienz in der Produktion

Da keine Supports benötigt werden, kann man die Baukammer eines SLS-Druckers vollständig ausnutzen. Das nennen wir Nesting. Teile lassen sich in X-, Y- und Z-Richtung stapeln, mit nur wenigen Millimetern Pulver dazwischen. In einem einzigen Drucklauf können so Hunderte einzigartiger Teile gleichzeitig hergestellt werden. Das macht SLS zu einer der wenigen 3D-Drucktechniken, die für Kleinserien (bis zu 1000 Stück) wirtschaftlich rentabel ist.

Materialien: Die Dominanz von Nylon

Fast 90 % aller SLS-Drucke werden aus Polyamid (Nylon) hergestellt. Dieses Material ist für seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften bekannt.

• PA12 (Polyamid 12): Der Industriestandard. Es ist weiß, sehr fest, schlagzäh und besitzt eine gute chemische Beständigkeit. Es ist steif, kann sich unter Belastung aber etwas biegen, ohne zu brechen (ideal für Schnappverbindungen).
• PA11: Hergestellt aus Rizinusöl (biobasiert). Es ist elastischer und zäher als PA12 und splittert daher bei einem harten Aufprall weniger schnell. Ideal für Prothesen oder Filmscharniere.
• Alumide: Eine Mischung aus Nylon und Aluminiumpulver. Dadurch erhält der Druck einen metallähnlichen Glanz, wird steifer und die Wärmeleitfähigkeit verbessert sich.
• TPU: Flexibles Pulver für gummiartige Anwendungen, allerdings schwieriger zu verarbeiten als Nylon.

Der Cake und die Nachbearbeitung

Das Drucken selbst ist nur die Hälfte der Arbeit. Nach dem Druck muss die gesamte Baukammer (der „Cake“) langsam abkühlen. Das kann manchmal 12 bis 24 Stunden dauern. Kühlt man sie zu schnell ab, verzieht sich der Kunststoff durch den thermischen Schock.

Nach dem Abkühlen müssen die Teile aus dem Block aus losem Pulver ausgegraben werden. Anschließend werden sie sandgestrahlt, um die letzten Pulverreste zu entfernen. Das Ergebnis ist ein Bauteil mit einer Oberfläche, die sich wie ein Zuckerwürfel oder feines Schleifpapier anfühlt. Da Nylon porös ist, können die weißen Teile in einem Farbbad leicht in jeder gewünschten Farbe eingefärbt werden.

Wann sollten Sie sich für SLS entscheiden?

Entscheiden Sie sich für SLS, wenn Funktionalität Ihre Priorität ist. Benötigen Sie ein Bauteil, das tatsächlich in einer Maschine verwendet wird, eine Schnappverbindung hat oder verschleißfest sein muss? Dann ist SLS FDM oder SLA oft überlegen. Es ist auch die beste Wahl, wenn Sie eine komplexe Form haben, die mit Supports unmöglich zu stützen ist. Sie sollten jedoch akzeptieren, dass die Oberfläche etwas rauer und weniger glänzend ist als bei SLA.