SLM für die additive Metallfertigung

Überblick über das selektive Laserschmelzen

Selektives Laserschmelzen (SLM) ist ein 3D-Druckverfahren für Pulverbettschmelzmetalle, bei dem mithilfe eines Lasers Metallpulverpartikel Schicht für Schicht selektiv geschmolzen und verschmolzen werden, um vollständig dichte Teile aufzubauen.

Hauptmerkmale der SLM-Technologie:

Charakteristisch	Beschreibung
Materialien	Metalle wie Edelstahl, Titan, Aluminium, Nickellegierungen
Lasertyp	Faser-, CO2- oder Direktdiodenlaser
Atmosphäre	Inerte Argon- oder Stickstoffatmosphäre
Auflösung	Ermöglicht feine Strukturen bis zu 150 μm
Genauigkeit	Teile innerhalb von ±0,2%-Abmessungen oder besser

SLM ermöglicht komplexe, anpassbare Metallteile für Luft- und Raumfahrt-, Medizin-, Automobil- und Industrieanwendungen.

Wie selektives Laserschmelzen funktioniert

Das SLM-Druckverfahren funktioniert wie folgt:

• 3D-Modell, aufgeteilt in 2D-Querschnittsschichten
• Pulver in dünner Schicht auf der Bauplatte verteilen
• Der Laser scannt selektiv die Schicht und schmilzt das Pulver
• Geschmolzenes Pulver verfestigt sich und verschmilzt miteinander
• Bauplatte absenken und neue Schicht darauf verteilen
• Der Vorgang wird wiederholt, bis das gesamte Teil aufgebaut ist

Das ungeschmolzene Pulver unterstützt beim Aufbau des Bauteils. Dies ermöglicht komplexe Geometrien ohne dedizierte Stützstrukturen.

Arten von selektiven Laserschmelzsystemen

Es gibt einige SLM Systemkonfigurationen:

System	Einzelheiten
Einzellaser	Ein Hochleistungslaser zum Schmelzen
Multilaser	Mehrere Laser zur Erhöhung der Baugeschwindigkeit
Scansystem	Galvo-Spiegel oder feste Optik
Handhabung von Metallpulver	Offene Systeme oder geschlossenes Pulverrecycling
Atmosphärenkontrolle	Versiegelte Baukammer, gefüllt mit Argon oder Stickstoff

Multi-Laser-Systeme ermöglichen schnellere Aufbauten, während die Pulverhandhabung im geschlossenen Kreislauf die Effizienz und Recyclingfähigkeit verbessert.

Materialien für das selektive Laserschmelzen

Zu den gängigen Metallmaterialien, die für SLM verwendet werden, gehören:

Material	Vorteile
Aluminium-Legierungen	Leicht mit guter Festigkeit
Titan-Legierungen	Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
Rostfreie Stähle	Korrosionsbeständigkeit, hohe Zähigkeit
Werkzeugstähle	Hohe Härte und Verschleißfestigkeit
Nickel-Legierungen	Hohe Temperaturbeständigkeit
Kobalt-Chrom	Biokompatibel mit gutem Tragekomfort

Eine Reihe von Legierungspulvern ermöglicht Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Temperaturbeständigkeit und Biokompatibilität, die für alle Anwendungen erforderlich sind.

Anwendungen des selektiven Laserschmelzens

Zu den typischen Anwendungen des SLM-Metalldrucks gehören:

Industrie	Anwendungen
Luft- und Raumfahrt	Motorkomponenten, Leichtbaustrukturen
Medizinische	Individuelle Implantate, Prothetik, Instrumente
Automobilindustrie	Leichte Teile, kundenspezifische Werkzeuge
Industriell	Leichtbaukomponenten, Endproduktion
Öl und Gas	Korrosionsbeständige Ventile, Bohrlochkopfteile

SLM ermöglicht die Konsolidierung komplexer, kundenspezifischer Metallteile in einem Stück und die Optimierung von Gewicht und Leistung.

Vorteile des selektiven Laserschmelzens

Hauptvorteile der SLM-Technologie:

Nutzen Sie	Beschreibung
Komplexe Geometrien	Unbegrenzte Gestaltungsfreiheit für organische Formen
Teilweise Konsolidierung	Baugruppen werden als eine einzelne Komponente gedruckt
Personalisierung	Einfache Anpassung zur Herstellung kundenspezifischer Teile
Gewichtsreduzierung	Gitterstrukturen und Topologieoptimierung
Materialeinsparungen	Weniger Abfall im Vergleich zu subtraktiven Methoden
Nachbearbeitung	Eventuell ist die Entfernung der Stütze und die Oberflächenbearbeitung erforderlich

Diese Vorteile ermöglichen leistungsfähigere Metallteile für den Endverbrauch bei wettbewerbsfähigen Vorlaufzeiten und Kosten bei geringeren Produktionsmengen.

Einschränkungen des selektiven Laserschmelzens

Zu den Einschränkungen von SLM gehören:

Begrenzung	Beschreibung
Teilegröße	Beschränkt auf das Bauvolumen des Druckers, typischerweise unter 1 m3
Produktivität	Relativ langsame Produktionsraten begrenzen hohe Volumina
Nachbearbeitung	Eventuell ist das Entfernen, Bearbeiten und Nachbearbeiten der Stütze erforderlich
Anisotropie	Die mechanischen Eigenschaften variieren je nach Bauausrichtung
Oberflächengüte	Die bedruckte Oberfläche ist relativ rau
Betreiberkompetenz	Erfordert umfassende Druckererfahrung

Die Technologie eignet sich am besten für geringe bis mittlere Produktionsmengen komplexer Metallteile.

Lieferanten von SLM-Druckern

Führende SLM-Systemhersteller:

Unternehmen	Bemerkenswerte Systeme
EOS	EOS M-Serie
3D-Systeme	DMP-Serie
GE-Zusatzstoff	X-Linie 2000R
Trumpf	TruPrint 1000, 3000
SLM-Lösungen	SLM 500, SLM 800
Renishaw	AM500, AM400

Die Maschinen reichen von kleineren Bauvolumen um 250 x 250 x 300 mm bis hin zu großen 800 x 400 x 500 mm-Systemen für hohe Produktivität.

Auswahl eines SLM 3D-Druckers

Wichtige Überlegungen bei der Auswahl eines SLM-Systems:

Faktor	Priorität
Volumen aufbauen	Passend zu den erforderlichen Teilegrößen
Unterstützte Materialien	Benötigte Legierungen wie Ti, Al, Edelstahl, Werkzeugstähle
Inertgassystem	Versiegelte, automatisierte Handhabung von Argon oder Stickstoff
Lasertechnologie	Faser-, CO2- oder Direktdiodenlaser
Scanmethode	Galvo- oder Festspiegel-Scanning
Handhabung des Pulvers	Kreislaufrecycling bevorzugt

Das optimale SLM-System bietet die für die Anwendungen erforderlichen Materialien, Bauvolumen, Geschwindigkeit und Pulverhandhabungsfunktionen.

Anforderungen an SLM-Einrichtungen

Um einen SLM-Drucker betreiben zu können, muss die Einrichtung Folgendes erfüllen:

• Elektrische Leistungsstufen typisch 20–60 kW
• Stabile Temperatur um 20-25°C
• Niedrige Luftfeuchtigkeit unter 70% RH
• Partikelkontrolle und Handhabung von Metallpulver
• Zufuhr und Entlüftung von Inertgas
• Abgasfiltration für freigesetzte Partikel
• Überwachungssysteme für die Atmosphäre
• Strenge Personalsicherheitsverfahren

SLM-Systeme erfordern eine umfangreiche Infrastruktur für Stromversorgung, Kühlung, Pulverhandhabung und Inertgaszufuhr.

SLM-Druckprozessparameter

Typische SLM-Druckparameter:

Parameter	Typischer Bereich
Laserleistung	100-400 W
Scangeschwindigkeit	100-2000 mm/s
Schichtdicke	20-100 μm
Abstand zwischen den Luken	50-200 μm
Punktgröße	50-100 μm
Scanmuster	Abwechselnd, für jede Ebene gedreht

Um für jedes Legierungspulver vollständig dichte Teile zu erhalten, ist eine genaue Anpassung dieser Parameter erforderlich.

SLM Designrichtlinien und -beschränkungen

Zu den wichtigsten SLM-Designrichtlinien gehören:

Leitfaden	Grund
Mindestwandstärke	Vermeiden Sie Hitzestau und Verformungen
Unterstützte Überhänge	Ohne Stützen Einsturz verhindern
Vermeiden Sie dünne Gesichtszüge	Schmelzen oder Verdampfen verhindern
Orientierung für Stärke	Für Lastrichtung optimieren
Minimieren Sie den Support-Einsatz	Vereinfachen Sie die Nachbearbeitung

Der SLM-Prozess stellt geometrische Anforderungen wie Überhangwinkel und Mindeststrukturgrößen, die berücksichtigt werden müssen.

SLM-Nachbearbeitungsanforderungen

Gängige Nachbearbeitungsschritte für SLM-Teile:

Prozess	Zweck
Entfernung der Stütze	Entfernen Sie automatisch generierte Unterstützungen aus der Software
Pulverentfernung	Entfernen Sie restliches Pulver aus den inneren Durchgängen
Oberflächenbehandlung	Verbessern Sie die Oberflächenbeschaffenheit und Rauheit durch maschinelle Bearbeitung
Stressabbau	Reduzieren Sie Eigenspannungen durch Wärmebehandlung
Heißisostatisches Pressen	Verbessern Sie die Dichte und reduzieren Sie innere Hohlräume

Der Grad der Nachbearbeitung hängt von den Anwendungsanforderungen an Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheit und Materialeigenschaften ab.

Qualifikationstests für SLM-Teile

Typische Qualifikationstests für SLM-Komponenten:

Testtyp	Beschreibung
Dichteanalyse	Messen Sie die Dichte im Vergleich zu bearbeiteten Materialien
Mechanische Prüfung	Zug-, Ermüdungs- und Bruchzähigkeitsprüfungen
Metallographie	Mikrostrukturbildgebung und Defektanalyse
Chemische Analyse	Überprüfen Sie, ob die Zusammensetzung mit der Spezifikation übereinstimmt
Zerstörungsfrei	CT-Scannen oder Röntgeninspektion auf Hohlräume

Durch gründliche Tests wird sichergestellt, dass SLM-Teile die Anforderungen erfüllen, bevor sie in Produktionsanwendungen eingesetzt werden.

Vorteile von SLM Technologie

Das selektive Laserschmelzen bietet entscheidende Vorteile:

• Komplexe, organische Geometrien sind mit Guss oder CNC nicht möglich
• leichtere Strukturen durch Topologieoptimierung
• Teilekonsolidierung in einzelne gedruckte Komponenten
• Weniger Abfall im Vergleich zu subtraktiven Methoden
• Anpassung und schnelle Designiterationen
• Just-in-time-Produktion von Metallteilen
• Hohe Festigkeit und Härte, die an bearbeitete Materialien heranreichen

Aufgrund dieser Vorteile eignet sich SLM branchenübergreifend für die On-Demand-Produktion hochwertiger Kleinserienteile.

Herausforderungen bei der Einführung des SLM-Drucks

Zu den Hindernissen für die Einführung von SLM gehören:

Herausforderung	Minderungsstrategien
Hohe Druckerkosten	Nutzen Sie Servicebüros, validieren Sie den ROI
Material-Optionen	Neue Legierungen in der Entwicklung, Speziallieferanten
Prozesswissen	Trainingsprogramme, Lernkurve
Normen	Teilequalifizierungsprotokolle werden entwickelt
Nachbearbeitung	Automatisierte Prozesse in Entwicklung

Mit zunehmender Reife der Technologie werden diese Hindernisse durch verbesserte Materialien, Geräte, Schulungen und Standardisierungsbemühungen in der gesamten Branche abgebaut.

Die Zukunft des selektiven Laserschmelzens

Neue Trends in der SLM-Technologie:

• Größere Bauvolumina über 500 x 500 x 500 mm
• Multi-Laser-Systeme für schnellere Bauraten
• Strecklegierungen einschließlich Hochtemperatur-Superlegierungen
• Verbesserte Recyclingfähigkeit und Handhabung des Pulvers
• Automatisierte Support-Entfernung und Nachbearbeitung
• Hybridfertigung mit Kombination von AM und CNC
• Spezialisierte Software zur Designoptimierung
• Standardisierung von Prozessparametern und Teilequalifizierung

SLM-Systeme werden hinsichtlich Baugröße, Geschwindigkeit, Materialien und Zuverlässigkeit weiter weiterentwickelt, um den Produktionsanforderungen in immer mehr industriellen Anwendungen gerecht zu werden.

Zusammenfassung der wichtigsten Punkte

• SLM verschmilzt selektiv Metallpulver mit einem Laser für den 3D-Druck mit voller Dichte
• Pulverbettschmelzverfahren für feine Details und komplexe Geometrien
• Geeignet für Luft- und Raumfahrt-, Medizin-, Automobil- und Industrieanwendungen
• Verwendet Metalle wie Edelstahl, Titan, Aluminium und Nickellegierungen
• Bietet Vorteile der Teilekonsolidierung, Individualisierung und Gewichtsreduzierung
• Erfordert eine kontrollierte Atmosphäre und robuste Pulverhandhabungssysteme
• Bei gedruckten Teilen kann eine erhebliche Nachbearbeitung erforderlich sein
• Führende Technologie für Produktionsanwendungen mit kleinen bis mittleren Stückzahlen
• Laufende Verbesserungen bei Materialien, Baugröße, Geschwindigkeit und Qualität
• Ermöglicht hochleistungsfähige gedruckte Metallkomponenten

Das selektive Laserschmelzen wird als industrielle Fertigungslösung für kundenspezifische Metallteile nach Bedarf weiter wachsen.

FAQ

Frage	Antwort
Welche Materialien sind mit SLM kompatibel?	Die meisten schweißbaren Legierungen wie Edelstahl, Titan, Aluminium, Werkzeugstahl, Nickellegierungen und Kobalt-Chrom.
Was ist die typische Genauigkeit von SLM-Teilen?	Für die meisten Geometrien ist eine Maßgenauigkeit von etwa ±0,2% erreichbar.
Welche Nachbearbeitung ist erforderlich?	Üblich sind die Entfernung von Stützstrukturen, die Entfernung von Pulver, die Oberflächenveredelung, das Spannungsarmglühen und das heißisostatische Pressen.
Was sind häufige SLM-Defekte?	Porosität, Rissbildung, Schichtablösung, Verzug, schlechte Oberflächenbeschaffenheit, nicht geschmolzene Partikel.
Welche Lasertypen werden beim SLM verwendet?	Üblicherweise kommen Faserlaser, CO2-Laser oder Hochleistungsdioden zum Einsatz.

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