Laserschmelzen
Großbritannien

SLS - Selektives Laserschmelzen

Vom 3D-Modell direkt zum Bauteil

Metall-Laserschmelzen

Herstellungsverfahren

  • Direkte Herstellung aus CAD-Daten
  • Schichtweiser Aufbau der Bauteile
  • Homogene Gefüge, Dichte > 99,6 %
  • Vollwertige mechanische Eigenschaften

  • Laserschmelzen Beispiele
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Das selektive Laserschmelzen kurz SLS ist ein generatives Produktionsverfahren, bei der das gewünschte Bauteil direkt aus 3D-Daten produziert wird. Anhand der vorliegenden Daten (Standardformat STL) lassen sich hochkomplexe Teile aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen herstellen.

Durch eine bisher fehlende einheitliche Namensgebung des Verfahrens, ist es auch bekannt als Laserschmelzen, additive Fertigung, selektive Fertigung, SLS 3D Druck, generative Fertigung, Laser melting, Laser cusing, Laser Sintern, 3D Druck Metall, 3D Lasersintern usw.

 

Anwendungsbereiche

  • Prototypen für Funktionstests
  • Einzelteile und Kleinserien
  • Werkzeuge für Spritzguss -> enthalten konturnahe Kühlkanäle
  • Ersatzteilnachbau für stillgelegte Serien
  • konventionell nicht umsetzbare Teile

Charakteristiken / Restriktionen

  • Kleinste mögliche Strukturgrösse: 0.04-0.2 mm
  • Genauigkeit: +/- 0.05-0.2 mm (+/- 0.1-0.2%)
  • Kleinste Schichtdicke: 0.025 mm
  • Typische Oberflächengüte: 4 – 10 microns RA
  • Dichte: Bis zu 99.9 %
  • Mindestwandstärke: 0.25 - 0.5 mm

Prozessbeschreibung
 

Verarbeitungskette

Eines oder mehrere 3D-Modelle (STL Format) werden im Bauraum auf einer Grundplatte platziert und mit einem Support versehen.

Dieser dient zur:
  • Fixierung
  • Wärmeableitung
  • Unterstützung kritischer Konturen

Wichtige Entscheidung:

  • Orientierung der Bauteile:
    Das Bauteil sollte so auf der Grundplatte ausgerichtet sein, dass die Stützstruktur so gering wie möglich ausfällt.
  • Anbringen der Stützstruktur:
    Die Stützstruktur muss an Stellen angebracht werden, an denen die Kontur nicht auf eine bestehende Kontur aufgeschmolzen werden kann bzw. die Kontur sehr stark von der vorherigen Schicht abweicht (< 45°; Radius > 3 mm)

Nachbearbeitung

  • Pulver entfernen: Die Bauplatte mit den Teilen darauf wird aus dem losen Pulver entfernt.
  • Thermische Bearbeitung: Nach der Produktion können die Teile thermisch behandelt werden, um Eigenspannungen abzubauen und die Eigenschaften sowie die metallurgische Struktur zu verbessern.
  • Entfernen der Stützstruktur und mechanische Nachbearbeitung: Die Teile werden von der Bauplattform gelöst. Weitere Stützstrukturen werden mechanisch entfernt. Teile können mechanisch nachbearbeitet werden, um kritische Toleranzen zu erfüllen.
  • Oberflächenbearbeitung: Teile werden bspw. durch Strahlen, Polieren oder Gleitschleifen weiterbearbeitet.

Konstruktive Vermeidung kritischer Konturen

Verarbeitungskette
Verarbeitungskette

Verarbeitungskette
 

Erkennen der Potentiale

Strukturoptimierung
Serienbauteile
Integralbauweise

Prototypen / Einzelteile

  • Herstellung in kürzester Zeit
  • Keine Werkzeuge oder Formen notwendig
  • Simultane Fertigung verschiedener, individueller Bauteile
  • Reduktion der time-to-market
  • Seriennahe Erprobung durch vollwertige mechanische Eigenschaften

Werkzeug- und Formenbau

  • Verbesserte Kühlkanalauslegung
  • Steigerung der Bauteilqualität
  • Zykluszeiteinsparungen
  • Reduzierung der Fertigungsschritte
  • Hybridbauweise
  • Design for function

Serienbauteile / Neuentwicklungen

  • Leichtbaustrukturen
  • Funktionsintegration
  • Integralbauteile, z.B. Zusammenfassung von Einzelteilen
  • Individualisierung
  • Ersatzteilbeschaffung, Production on demand

 

Vorteile selektives Lasersintern zusammengefasst:

  • Realisierung bisher fertigungstechnisch nicht herstellbarer Bauteile (Beispiele: Innenliegende Kühlkanäle, Hohlräume, Gitternetzstrukturen etc.)
  • Von 3D-Modell direkt zum Bauteil
  • Bauteilerstellung in kürzester Zeit
  • Hohe Gewichtseinsparung bei höherer Steifigkeit realisierbar (Knochenstruktur)
  • Keine Vorrichtungsbau- und Werkzeugkosten bei Prototypen
  • Qualitativ hochwertige Produkte, geringer Verzug durch gleichmäßige Abkühlung der Bauteile

Unsere Anlage

M2 Cusing 6615N211
Hersteller: CONCEPT LASER
 
Technische Daten
X / Y / Z 250 / 250 / 280 mm
2 duale Laser arbeiten an einem oder alternativ an 2 Bauteilen.
Schichtstärke je Beschichtungsdurchgang 20 – 80 µm

WJW Anlage

Für SLS verfügbare Werkstoffe

CL 20 ES Edelstahl (1.4404)
CL 31AL Aluminium (ALSi10Mg)
CL 41 TI ELI Titanlegierung (Ti6Al4V)
CL 42 TI Reintitan Grade 2
CL 50 WS Warmarbeitsstahl (1.2709)
CL 91 RW Rostfreier Warmarbeitsstahl
CL 92 RW Rostfreier ausscheidungsgehärteter Stahl (17-4 PH)
CL 100 NB Nickelbasislegierung (Inconel 718)
CL 101 NB Nickelbasislegierung (Inconel 625)
CL 110 CoCr Kobalt-Chrom Legierung (F75)

Materialien / mechanische Eigenschaften

Werkstoff Aluminium AlSi10Mg 3.2381
Zugfestigkeit Rm[MPa] 300-350
Streckgrenze Rp0,2 [MPa] 220-245
Bruchdehnung A [%] 7-9
Härte 95-120 HB
Werkstoff Edelstahl X2CrNiMo17-12-2 1.4404
Zugfestigkeit Rm[MPa] 530-640
Streckgrenze Rp0,2 [MPa] 460-500
Bruchdehnung A [%] >15
Härte 20 HRC
Werkstoff Titan TiAl6V4 3.7165
Zugfestigkeit Rm[MPa] 950-1.150
Streckgrenze Rp0,2 [MPa] 800-1.000
Bruchdehnung A [%] 10-20
Härte 32-36 HRC
Werkstoff Werkzeugstahl* X3NiCoMoTi 18 9 51.2709
Zugfestigkeit Rm[MPa] 1.900-2.050
Streckgrenze Rp0,2 [MPa] 1.800-1.900
Bruchdehnung A [%] 3-5
Härte 54-56 HRC
* Werte entsprechen einem wärmebehandelten Zustand der Bauteile (490 °C); Kunststoffe und weitere Metalle auf Anfrage
 
Leichtbau / Topologieoptimierungen, Serienmaterial / Vergleichbare Eigenschaften, Ohne Werkzeuge und Formen / Reduzierung von Herstellungskosten und -zeit, Funktionsintegration / Innenliegende Kühlung, RFID und Herstellung ab 2 Tagen / Lebenszykluskosten minimieren


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Konrad Andres Geschäftsleitung und Vertrieb
Fon: 0 63 27 / 97 408-0

Konrad ANDRES
k.andres@wjw.de

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  Infomaterial

Selektives Laserschmelzen im Detail

Mit dem SLS-Verfahren wird das Werkstück schichtweise dreidimensional aufgebaut. Dafür wird das Metall in sehr feiner Pulverform in Schichten (Layer) aufgetragen und durch den Laserstrahl dort geschmolzen, wo das Werkstück entstehen soll. Je nach Anforderung an Oberflächengüte und Fertigungsgeschwindigkeit wird das Pulver in Schichtdicken zwischen 20 und 80 µm aufgetragen. Anschließend schmilzt ein leistungsfähiger Faserlaser die vorgesehenen Bereiche selektiv auf. Die starke Fokussierung verleiht dem Laserstrahl eine sehr hohe Leistungsdichte, mit der das Material absolut präzise durchgeschmolzen wird. So lassen sich hundertprozentig dichte Werkstücke mit geringen Wandstärken erzeugen.

Ist der Schmelzvorgang für die Schicht abgeschlossen, senkt sich die Plattform um die jeweilige Schichtstärke ab, damit eine weitere Pulverschicht aufgetragen werden kann. So wird das Werkstück Schicht für Schicht hergestellt.



Metall Laserschmelzen

Die Dauer des Prozesses, der in einer geschlossenen Inertgas-Atmosphäre (Argon) abläuft, ist dabei abhängig von der Menge des eingesetzten Materials und der Anzahl der Schichten – nicht von der Komplexität des Bauteils.

Der schichtweise Aufbau macht es möglich, auch filigrane Gitter-, Maschen- oder Netzstrukturen, poröse Strukturen oder im Werkstück verlaufende unregelmäßige Kanäle gezielt entstehen zu lassen, die mit anderen Verfahren nicht herstellbar sind. Das Material wird ausschließlich da aufgebaut, wo es der vorgesehene Einsatz und die zukünftige Beanspruchung erfordern. So lässt sich durch einen optimierten Materialeinsatz unter anderem das Gewicht minimieren.

Mit SLS werden hundertprozentig dichte, mechanisch hochbelastbare Teile produziert, deren Materialeigenschaften denen konventionell hergestellter Teile fast gleichen. Dadurch können sie je nach Einsatzzweck mit jedem anderen Verfahren beliebig nachbearbeitet werden.

Der Einsatz des SLS-Verfahrens ist in der Regel dann wirtschaftlicher als herkömmliche Verfahren, wenn die Herstellung von Einzelstücken, individualisierten Teilen oder Serien mit geringen Stückzahlen gefordert ist. Dabei fällt der Kostenvorteil in der Regel umso größer aus, je kleiner die Stückzahl, je komplexer das Einzelstück und je geringer der Materialeinsatz ist.

Direkt aus den Konstruktionsdaten des CAD-Programms entstehen in der Anlage von CONCEPT LASER in kürzester Zeit funktionsfähige Metallteile, deren mechanische Belastbarkeit denen herkömmlich gefertigter Werkstücke entspricht.