Lektion 8.4UrformenKapitel 8 · Additive Fertigung

Laser-Pulverbettschmelzen (Metall, SLM/DMLS)

Ein Laser schmilzt dünne Schichten Metallpulver (Pulverbettverfahren)

Beim Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF) schmilzt ein Laser feines Metallpulver Schicht für Schicht, um vollständig dichte Metallteile aufzubauen. Maschinenhersteller nennen es SLM (Selective Laser Melting) oder DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Es ist wichtig, weil es Metallformen erzeugt, die kein Schneidwerkzeug und keine Form herstellen könnte, etwa Raketentriebwerksteile mit innenliegenden Kühlkanälen.

Foto: Matti Blume, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Pulverbettkammer für Metall im Querschnitt: Argonströmung, Laser, Klinge, Stützen und BauplatteDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; die Schritte 3 bis 5 wiederholen sich tausende Male.

So funktioniert es

Schneiden und Stützen hinzufügen. Eine Software zerlegt das Modell in sehr dünne Schichten und fügt Stützen hinzu (dünne Metallstreben). Sie verankern Überhänge an der Bauplatte und leiten Wärme ab, damit sich das Teil nicht verzieht.
Mit Argon füllen. Die Kammer wird verschlossen und mit Argon oder Stickstoff gespült, Inertgasen, die verhindern, dass das heiße Metall oxidiert. Ein stetiger Gasstrom spült Rauch und Spritzer (winzige heiße Tröpfchen) aus dem Weg des Lasers.
Eine Schicht auftragen. Der Vorratskolben steigt, und eine Beschichterklinge verteilt Metallpulver über die Bauplatte, meist 0,02–0,06 mm dick.
Die Schicht schmelzen. Ein Faserlaser, meist 200–1.000 W, zeichnet die Schicht nach. Er schmilzt das Pulver zu einem winzigen Schmelzbad, das fast augenblicklich erstarrt und mit der Schicht darunter verschweißt.
Absenken und wiederholen. Die Bauplatte sinkt um eine Schicht, und der Zyklus wiederholt sich, oft tausende Male über einen oder mehrere Tage.
Das Teil fertigstellen. Solange sie noch auf der Platte sind, erhalten die Teile eine Spannungsarmglühung (langsames Erwärmen, das eingeschlossene Spannungen abbaut). Dann werden sie abgetrennt, Stützen entfernt, und viele gehen weiter zu HIP (Heißisostatisches Pressen, Lektion 9.3) und zur Bearbeitung.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Titanlegierungen (Ti-6Al-4V), Edel- und Werkzeugstähle, Nickelsuperlegierungen (Inconel), Aluminium (AlSi10Mg), Kobalt-Chrom, Kupferlegierungen
Typische Teile: Raketentriebwerks-Einspritzköpfe, Turbinen- und Kraftstoffsystemteile, medizinische Implantate, Zahnkronen, Formen mit Kühlkanälen, Wärmetauscher
Bauteilgröße: Meist 25–40 cm pro Seite; die größten Maschinen überschreiten 1 m
Präzision: Etwa ±0,1 mm im gedruckten Zustand; wichtige Flächen werden anschließend bearbeitet
Oberfläche: Matt und leicht rau, wie feines Schleifpapier; rauer an nach unten weisenden Flächen; oft gestrahlt, poliert oder bearbeitet
Geeignete Losgröße: 1 bis einige tausend Teile pro Jahr; am besten, wenn jedes Teil komplex und wertvoll ist
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Werkzeug; Maschinen kosten einige hunderttausend bis einige Millionen Dollar
Geschwindigkeit: Langsam: Bauvorgänge dauern oft ein bis mehrere Tage

Stärken und Grenzen

Stärken

Formen, die sich nicht zerspanen oder gießen lassen: innere Kanäle, Gitterstrukturen, organische Formen
Vollständig dichtes Metall, nach Wärmebehandlung vergleichbar mit Guss- oder Knetmetall
Mehrere Teile zu einem verschmolzen, was Montage und Gewicht spart
Leichte Konstruktionen durch Topologieoptimierung (Software, die unnötiges Material entfernt)

Grenzen

Sehr teure Maschinen, Pulver und Nachbearbeitung
Braucht Stützen, die abgeschnitten oder abgearbeitet werden müssen
Eingeschlossene Wärmespannungen können Teile verziehen oder von der Platte reißen
Langsam, mit rauen Oberflächen, die oft bearbeitet werden müssen

Wo es eingesetzt wird

RaumfahrtRaketentriebwerks-Einspritzköpfe, Brennkammern, Turbopumpenteile
Luft- und RaumfahrtKraftstoffdüsen von Strahltriebwerken, Halterungen, Wärmetauscher
MedizinHüftpfannen und Wirbelsäulenimplantate mit porösen Oberflächen, individuelle Implantate
ZahnmedizinKobalt-Chrom-Kronen, -Brücken und Prothesengerüste
WerkzeugbauSpritzgussformen mit konturnaher Kühlung (Kanäle, die der Form des Teils folgen)
MotorsportLeichte Halterungen, Radträger, Abgas- und Hydraulikteile

So erkennen Sie es

Eine matte, leicht körnige graue Metalloberfläche, oft mit schwachen Schichtlinien.
Kleine Narben oder raue Stellen an nach unten weisenden Flächen, wo Stützen entfernt wurden.
Eine flache, oft bearbeitete Basis, wo das Teil von der Bauplatte abgetrennt wurde.
Organische Formen, Gitterstrukturen oder innere Kanäle, die kein Bohrer und keine Form erzeugen könnte.

Im Vergleich mit

Selektives Lasersintern8.3dieselbe Pulverbettidee mit Nylon; keine Stützen nötig, aber nur Kunststoffteile.Binder Jetting8.5verklebt Metallpulver, statt es zu schmelzen, und sintert es dann im Ofen; günstiger pro Teil, aber die Teile schrumpfen.Auftragschweißen mit gerichteter Energie (DED)8.7führt Pulver oder Draht in ein Laserschmelzbad ein; baut oder repariert größere Teile, mit gröberen Details.

Ansehen

RAPID DIRECT · Der komplette SLM-Ablauf, für Einsteiger erklärt

Billy Wu · Nahaufnahmen eines Teils beim Bau

3D Distributed · Eine Maschine bei der Arbeit: Laser, Funken und Beschichter

NASA's Marshall Space Flight Center · Gedruckte Raketentriebwerksteile bei der NASA

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Selektives Laserschmelzen — Prozessschema und Fotos gedruckter Metallteile
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

LPBF schmilzt Metallpulver mit einem Laser unter Inertgas und baut vollständig dichte Teile Schicht für Schicht auf.
Es erzeugt komplexe, leichte Metallteile, die kein anderes Verfahren schafft, aber langsam und teuer.
Stützen, Wärmebehandlung, Abtrennen von der Platte und oft Bearbeitung gehören zu jedem Auftrag.