Selektives Laserschmelzen (SLM)

Bandbreite von Leichtmetallen über Edel- und Werkzeugstähle bis zu Superlegierungen.

Bestehende Konstruktionsprinzipien können dank des SLM-Verfahrens (Abkürzung für: selektives Laserschmelzen, englisch: selective lasermelting) neu gedacht werden. Eine in das Werkstück integrierte Funktionalität, z. B. Werkzeugeinsätze, die durch konturnahe Kühlkanäle die Produktionszyklen verkürzen. Funktionsfähige Scharniere mit innovativer Kinematik. Oder werkzeuglose Lösungen für dünnwandige, komplexe Blechkonstruktionen aus Aluminium oder Stahl.

Das Selektive Laserschmelzen, kurz SLM (Selective Laser Melting), basiert auf dem gleichen additiven und werkzeuglosen Pulverbettverfahren wie das Selektive Lasersintern (SLS). Als Ausgangsmaterial wird allerdings Metallpulver verwendet. Schichtweise wird das vorher durch CAD-Daten digital hergestellte Objekt auf eine Bauplattform gedruckt.

Beim Selektiven Laserschmelzen werden sehr gute mechanische Kennwerte erreicht, so dass die Bauteile problemlos als ganz normal benutzbare und belastbare Endbauteile eingesetzt werden können. Alle gängigen Nachbearbeitungsmöglichkeiten sind auch für per SLM gefertigte Bauteile möglich.

Leistungsübersicht

Das Laserschmelzen gehört wie auch das Lasersintern, dem Pulverbettverfahren mit verschiedenen Kunststoffen, zum Additive Manufacturing – der Additiven Fertigung. Hier werden in Rekordzeit Prototypen sowie voll funktionsfähige und belastbare Kleinserien und Serien realisiert. Neben der additiven Fertigung von Bauteilen bietet FKM auch diverse Nachbearbeitungsmöglichkeiten an. Auf Wunsch werden die fertigen Werkstücke poliert, nachgeglättet, galvanisch vernickelt und mehr. Auch eine spanende Bearbeitung ist im Werk von FKM möglich. Ein eigenes Prüflabor stellt zudem sicher, dass die immer gleichen Qualitätsanforderungen und Standards erfüllt werden. Neben der Überprüfung der Pulverqualität führt FKM auch Zugversuche oder Porositätsmessungen und weiteres mittels Scanner und CT durch. Neueste Technik mit höchstem Qualitätsanspruch ist bei FKM selbstverständlich.

Was ist Laserschmelzen?

Das SLM ist unter dem Dachbegriff der Additiven Fertigung anzusiedeln. Bauteile werden hier entgegen der konventionellen spanenden, also abtragenden, Verfahren schichtweise auf einer beweglichen Bauplattform aufgebaut. Das Laserschmelzen ist ein Pulverbett-basiertes Verfahren, mit dem komplexe Geometrien mit innenliegenden Hohlräumen oder integrierten beweglichen Teilen sowie äußerst filigrane Objekte realisierbar sind. Das Verfahren eignet sich hervorragend, um projektentwicklungsbegleitend neue Formen und Designideen anzufertigen und direkt am Modell testen zu können. So werden Werkteile haptisch, optisch und funktional unter realen Bedingungen auf ihre Passform hin überprüft. Bei Bedarf können die entsprechenden Strukturen direkt im CAD-Programm optimiert und zeiteffizient erneut hergestellt werden. Ein großer Vorteil des SLM-Verfahrens sind die niedrigen Produktionskosten bei filigranen Formen und Bauteilen mit Hohlräumen – ein großer Unterschied zu bisherigen Fertigungsverfahren, bei denen die Kosten mit der Komplexität steigen. Nicht verschmolzenes Pulver kann größtenteils für die nächste Produktion verwendet werden.

Selektives Lasermelting: Der Prozess

Das Laserschmelzverfahren ähnelt dem Lasersinterverfahren, bei dem allerdings Kunststoffpulver anstelle von Metallpulver zu Objekten verschmolzen wird. Beim SLM wird das gewählte Metallpulver in sehr dünner Schichtstärke auf eine bewegliche Bauplattform aufgetragen. Ein Laserstrahl verschmilzt punktgenau nach vorher festgelegter Geometrie mittels CAD-Programm das lose Pulver zu festen Strukturen. Die Bauplattform wird anschließend nach unten gefahren und eine neue Schicht Metallpulver aufgesprüht. Die Arbeitsschritte Pulver auftragen – verschmelzen – Plattform absenken werden solange wiederholt, bis Schicht für Schicht das ganze Bauteil entstanden ist. Dank des Schichtbauverfahrens sind äußerst komplexe Formen mit nur wenigen Stützstrukturen möglich. Nicht verschmolzenes Metallpulver wird im Anschluss gesammelt und für weitere SLM-Projekte wiederverwendet. Die Kostenkalkulation vor Druckbeginn entsteht auf Basis des vorliegenden CAD-Datensatzes.

Laserschmelzen Materialien

An Materialien für das Laserschmelzen hat FKM permanent sieben unterschiedliche Metalle zur Verfügung. Die Wahl des Materials hängt von der Verwendung des fertigen Bauteils ab. Muss es beispielsweise extremer mechanischer Belastung standhalten oder soll es in Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden? Die Antwort entscheidet über die Wahl des Metallpulvers.

Die bei uns eingesetzten Metalle sind:

• Aluminium AlSi10mg: AlSi10mg eignet sich für den Bau von Prototypen oder Kleinserien mit Bauteilen, die hoher mechanischer und dynamischer Belastung standhalten müssen.
• Edelstahl 1.4404 und 1.4542: Die beiden verfügbaren Edelstahlvarianten sind nichtrostende Materialien. Der Edelstahl 1.4404 ist zudem säurebeständig und hervorragend für den Anlagen- oder Automobilbau sowie in der Medizintechnik geeignet. Die Variante 1.4542 wird typischerweise für diverse Industrieanwendungen eingesetzt, da es hoch korrosionsbeständig ist und zudem gute mechanische Eigenschaften und hervorragende Duktilität besitzt.
• Werkzeugstahl 1.2709: Dieser Stahl ist hochbelastbar, selbst bei einer Mindestwandstärke von nur 0,25 mm. Werkzeugeinsätze mit konturnaher Kühlung für den Spritz- oder Aluminiumdruckguss sowie Funktionsbauteile können problemlos mit diesem Metallpulver gedruckt werden.
• Inconel 718: Inconel 718 ist eine Nickel-Basislegierung und besonders gut für Bauteile geeignet, die Einsatz in Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen, z.B. in der Raumfahrtindustrie, findet.
• Reinkupfer und Kupfer CuNi2SiCr: Dieser Werkstoff ist eine berylliumfreie Kupferbasislegierung, die hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit auszeichnet.
• Cobalt-Chrom: Der Werkstoff ist eine CoCrW-Legierung und findet vor allem in der Medizintechnik und Zahnprothetik Anwendung.

Anwendungsmöglichkeiten

Die Einsatzbandbreite von lasergeschmolzenen Bau- und Kleinserienteilen ist weit. Dank der Geometriefreiheit und der leichten Bauweise finden sich SLM-Produkte von der Luft- und Raumfahrtechnik über die Automobilindustrie und den Maschinenbau bis hin zur Medizintechnik und Prothetik sowie im Modellbau oder in der Schmuckherstellung. Durch die Palette an verwendbaren Metallpulvern mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt es kaum Einsatzgrenzen von Werkteilen, die im Laserschmelzverfahren entstehen. Die Produkte sind voll funktional und belastbar. Dank der beinahe grenzenlosen Designfreiheit können projektspezifisch und ganz individuell Bau- und Ersatzteile entwickelt werden.

Hintergrund & Geschichte des SLM

Das Verfahren des Laserschmelzens ist noch eine recht junge Technologie. Entwickelt wurde es im Fraunhofer Institut ILT (Institut für Lasertechnik) in Aachen im Zuge eines Forschungsprojektes im Jahr 1995. Kooperationspartner war dabei das Unternehmen F&S Stereolithographietechnik GmbH mit Sitz in Paderborn. Das Verfahren ist auch unter anderen Bezeichnungen zu finden. Hintergrund ist, dass verschiedene Maschinenhersteller das patentierte Verfahren übernahmen und unterschiedlich modifizierten. Das ILT selbst bezeichnet das Laserschmelzverfahren als Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), während EOS es unter dem Namen DMLS (Direct Metal Laser Sintering oder Direktes Metall Laser Schmelzen) führt. Auch LaserCUSING (Firma Concept Laser) oder Laser Metal Fusion (Firmen Trumpf und Sisma3D) oder Direct Metal Printing (Firma: 3D Systems) sind weitere Bezeichnungen desselben Verfahrens.