SLM Additive Fertigung

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SLM Additive Fertigung

Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, ist eine transformative Methode zur Herstellung von Teilen und Produkten. Eine der am häufigsten verwendeten additiven Fertigungstechniken ist Selektives Laserschmelzen (SLM). SLM ist ein Pulverbettschmelzverfahren, bei dem ein Hochleistungslaser selektiv Materialpulver miteinander verschmilzt, um Teile Schicht für Schicht aufzubauen.

Mit SLM können komplexe Geometrien mit komplizierten inneren Merkmalen direkt aus 3D-CAD-Daten erstellt werden. Es minimiert auch den Materialabfall und bietet eine Designflexibilität, die bei der herkömmlichen Fertigung nicht möglich ist. SLM erfordert jedoch eine spezielle Ausrüstung, optimierte Verarbeitungsparameter und ein Verständnis der Materialeigenschaften.

Dieser umfassende Leitfaden enthält alles, was Sie über die additive Fertigung durch selektives Laserschmelzen wissen müssen. Er erklärt die Technologie, typische Materialien, Anwendungen, Vorteile und Einschränkungen, Spezifikationen, Lieferanten, Kosten, Vergleiche mit anderen 3D-Druckverfahren und vieles mehr. Lesen Sie weiter und werden Sie ein SLM-Experte!

So funktioniert der SLM-3D-Druck

Beim SLM wird ein fokussierter Laserstrahl verwendet, um Metallpulver zu schmelzen und miteinander zu verschmelzen. Die Teile werden auf der Grundlage von geschnittenen 3D-CAD-Modelldaten additiv Schicht für Schicht aufgebaut. Hier sind die wichtigsten Aspekte des SLM-Verfahrens:

SLM Additive Manufacturing Prozess Übersicht

Prozess-Schritt Beschreibung
Vorbereitung des 3D-Modells Das CAD-Modell wird in dünne 2D-Scheiben umgewandelt, um den Laserschmelzweg zu steuern. Für Überhänge können Stützstrukturen hinzugefügt werden.
Pulverstreuung Ein Wiederbeschichtungsmechanismus verteilt eine Schicht Metallpulver gleichmäßig auf der Bauplattform.
Laserschmelzen Ein fokussierter Hochleistungslaser schmilzt das Pulver selektiv auf der Grundlage der einzelnen 2D-Scheiben und verschmilzt die Partikel zu einem Feststoff.
Untere Bauplattform Nach der Fertigstellung einer Schicht senkt sich die Bauplattform ab, und neues Pulver wird aufgetragen.
Wiederholen Sie die Schritte Die Schritte Pulverauftragen, Laserschmelzen und Absenken wiederholen sich, bis das Teil fertig ist.
Nachbearbeitung Das Teil wird von überschüssigem Pulver befreit und muss dann möglicherweise von Halterungen befreit, gereinigt, wärmebehandelt, oberflächenbehandelt, geprüft usw. werden.

Der schichtweise Ansatz ermöglicht die Schaffung komplexer, organischer Formen mit komplizierten inneren Hohlräumen und Tunneln, die mit herkömmlichen Methoden wie dem Gießen oder der maschinellen Bearbeitung von massiven Blöcken nicht hergestellt werden könnten.

SLM wird auch unter ähnlichen Bezeichnungen wie Selektives Lasersintern (SLS), Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und Pulverbettfusion (PBF) bezeichnet. Die Kernaspekte dieser pulverbasierten Verfahren sind im Wesentlichen identisch, mit kleinen Unterschieden in der Ausstattung.

SLM-Materialien

Eine breite Palette von Metallen, Legierungen und Keramiken kann mit der SLM-Technologie der additiven Fertigung bearbeitet werden. Zu den am häufigsten verwendeten gehören rostfreie Stähle, Kobalt-Chrom, Titan, Aluminium und Superlegierungen auf Nickelbasis. Die Materialoptionen werden mit der Weiterentwicklung der Technologie ständig erweitert.

Gängige SLM-Materialien und -Verwendungen

Material Anwendungen
Rostfreier Stahl (316L, 17-4PH) Kostengünstige Prototypen, funktionelle Metallteile wie Ventile, Pumpengehäuse
Titan-Legierungen (Ti-6Al-4V) Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate, Automobilteile
Kobalt-Chrom (CoCr) Zahnkronen und -brücken, orthopädische Knie-/Hüftimplantate
Aluminium-Legierungen (AlSi10Mg) Leichte Drohnen, Halterungen für die Luft- und Raumfahrt, Prototypen für die Automobilindustrie
Inconel (IN625, IN718) Turboladerräder, Brennkammern, Motoren für die Luft- und Raumfahrt
Werkzeugstähle (H13, Maraging-Stahl) Spritzgussformen, Umformwerkzeuge, Werkzeugvorrichtungen

Die beliebteste Option ist 316L-Edelstahlpulver aufgrund seiner Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hochwertigen Oberflächen und niedrigeren Kosten im Vergleich zu exotischen Legierungen.

Materialien für das SLM durchlaufen eine strenge Qualitätskontrolle mit kugelförmigen Pulverpartikeln mit einem Durchmesser von durchschnittlich 15-100 Mikrometern. Feinere Pulver verbessern die Auflösung, während gröbere Pulver schneller, aber mit geringerer Genauigkeit hergestellt werden.

SLM-Anwendungen

SLM wird für die Herstellung von Prototypen, kundenspezifischen Werkzeugen und Kleinserien von komplexen, leistungsstarken Metallkomponenten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften geschätzt. Hier sind einige der führenden Anwendungen in den wichtigsten Branchen:

SLM Additive Manufacturing Anwendungsbereiche

Industrie Allgemeine SLM-Anwendungen
Luft- und Raumfahrt Turbinenschaufeln, Kraftstoffeinspritzdüsen, Wärmetauscher, Strukturhalterungen, Satellitenantennen
Medizinische Personalisierte Implantate (Hüfte, Knie usw.), chirurgische Instrumente, kieferorthopädische Geräte
Automobilindustrie Prototypen für Hochleistungsfahrzeuge, kundenspezifische Halterungen, leichte Querlenker
Industriell Formen und Matrizen für die konforme Kühlung, Vorrichtungen für die Montage und Inspektion
Öl und Gas Kundenspezifische Ventile, Pumpen, Dichtungen, Bohrgeräte für den Hochdruckbedarf
Verteidigung Drohnen, Anpassung von Handfeuerwaffen, Komponenten für Fahrzeuge und Schutzwesten

Die Fähigkeit, Baugruppen zu Einzelteilen zusammenzufassen, Designs schnell anzupassen und die Vorlaufzeiten im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden von Monaten auf Tage zu verkürzen, untermauert den zunehmenden Einsatz von SLM für Produktionsanwendungen in diesen Branchen.

SLM Drucker Hersteller

Viele Unternehmen stellen SLM-Geräte her, die auch als 3D-Drucker bezeichnet werden. Zu den wichtigsten Anbietern von professionellen 3D-Druckern für den industriellen Einsatz gehören:

Führende Anbieter von SLM-Maschinen

Unternehmen Einzelheiten
EOS Fundierte SLM-Technologie, umfangreiche Materialoptionen wie EOS Titanium Ti64, umfangreiche Verwendung in der Luft- und Raumfahrt
3D-Systeme Breite Produktpalette von Desktop- bis zu Industriedruckern
GE-Zusatzstoff Führender US-Anbieter, Binderjet- und Laser-Pulverbett-Optionen
Renishaw Hochpräzisionsoptiken für Mikroanwendungen, umfangreiche Materialtests
SLM-Lösungen Zuverlässige Arbeitspferde mit automatisiertem Pulverhandling
Trumpf Robuste deutsche Ingenieurskunst kombiniert mit Lasern
Velo3D Neuartiger stützenfreier Ansatz ermöglicht neue Geometrien

Während die Anschaffungskosten für eine industrielle SLM-Maschine zwischen $150.000 und über $1 Million liegen, ist die Auswahl des richtigen Systems für den verfügbaren Platz, den Materialbedarf, die Genauigkeitsanforderungen und die Budgetüberlegungen entscheidend. Führende Hersteller bieten verschiedene Baugrößen, Multi-Laser-Konfigurationen für Geschwindigkeit, spezielle Parameter für Qualität und Wiederholbarkeit bei verschiedenen Legierungen, Software-Automatisierungsfunktionen und vieles mehr.

SLM-Materialeigenschaften

Auf SLM-Maschinen gedruckte Teile weisen aufgrund der schichtweisen Herstellung und der schnellen Erstarrung einzigartige Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Guss- und Bearbeitungsmethoden auf.

Vergleich der mechanischen Eigenschaften - SLM vs. traditionelle Fertigung

Eigentum SLM Additive Mfg Traditionelle Mfg
Dichte Nahezu 100% dicht 99% aus Guss/Knete
Oberfläche Schichtlinien sichtbar, Ra 6-14 μm Glattere Oberfläche
Zugfestigkeit In der Regel 10-20% höher Geringere Stärke
Dehnung beim Bruch Verringert um 5-15% Höhere Dehnung
Härte Bis zu 2-fache Verbesserung bei einigen Legierungen Geringere Härte

Die hohen Abkühlungsraten des SLM-Verfahrens, die 106 °C/s überschreiten, erzeugen feinere Mikrostrukturen mit metastabilen Phasen. Dies führt zu einer maximalen Dichte bei der Pulverkonsolidierung und zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften wie erhöhter Streck- und Zugfestigkeit. Die Dehnung ist bei SLM-Teilen in der Regel geringer, da die hohe Härte und das Vorhandensein von Eigenspannungen die Duktilität einschränken.

Durch geeignete Wärmebehandlungen und heißisostatisches Pressen (HIP) können innere Spannungen abgebaut, die physikalischen Eigenschaften weiter optimiert und die Konsistenz verbessert werden. Insgesamt kann SLM eine Dichte von mehr als 99,5% erreichen, um funktionale Metallteile zu erhalten, die im Wesentlichen mit der traditionellen Fertigung identisch sind.

SLM vs. anderer 3D-Druck

Vergleich von SLM mit anderen additiven Fertigungsverfahren

SLM Binder Jetting FDM SLA
Materialien Metalle Metalle, Sandformen Kunststoffe Harze
Rohe Eingaben Pulverbett Pulverbett Filament auf Spule Faß mit flüssigem Harz
Prozess Laser schmelzt Pulver Bindemittel Klebstoffpulver Filament erhitzt und extrudiert Laser härtet Harzschichten
Wichtigste Eigenschaft Hohe Dichte Günstige Metallformen Thermoplastische Kunststoffe Glatte Oberfläche
Stärken Komplexe Metallteile Kerne/Formen für den schnellen Sandguss Funktionale Prototypen Glatte Oberfläche
Schwachstellen Geringere Geschwindigkeit Spröde, geringe Dichte Schwache Mechanik Begrenzte Materialoptionen

SLM unterscheidet sich von anderen Pulverbettschmelzverfahren wie dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM) durch seine schnelleren Scangeschwindigkeiten zur Herstellung von Teilen mit geringeren Eigenspannungen und höherer Auflösung. SLM produziert vollständig dichte, funktionale Metallteile, während der Binderjet-3D-Druck zwar schneller ist, aber mehr Nachbearbeitungsaufwand mit sich bringt. FDM- und SLA-Systeme sind SLM- und EBM-Anlagen in Bezug auf die verfügbare Materialstärke weit unterlegen.

SLM-Spezifikationen

3D-Drucker, die mit der Technologie des selektiven Laserschmelzens arbeiten, werden durch mehrere Schlüsselparameter spezifiziert, die die Materialien, die Präzision und die herstellbaren Teilegrößen bestimmen.

Wichtige Spezifikationen der SLM-Maschine

Parameter Typischer Bereich Beschreibung
Laserleistung 200-500W Höhere Leistung verbessert die Baugeschwindigkeit, verringert aber die Auflösung der feinen Merkmale
Schichtdicke 20-100 μm Dünnere Schichten verbessern die Details, verlängern aber die Bauzeit
Balkengröße 50-80 μm Die Größe des Fokuspunkts beeinflusst die Detailgenauigkeit und die Kontrolle des Schmelzbads
Volumen aufbauen 100-500 mm Würfel Maximale Teileabmessungen, die das System produzieren kann
Inertes Gas Stickstoff oder Argon Schützt vor Oxidation; Argon ermöglicht bessere Materialeigenschaften
Scangeschwindigkeit Bis zu 10 m/s Schnelleres Scannen erhöht die Fertigungszeiten für Teile

Diese Kernparameter der Maschine sowie Faktoren wie die eingebaute Heizung zum Vorwärmen des Pulvers und die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit ermöglichen die Abstimmung der mechanischen Eigenschaften. Die Schutzgasumgebung in der Kammer verhindert auch die Oxidation, während die Laser tausende Male pro Bauteil über das Metallpulverbett rastern.

Genauigkeit und Oberflächengüte

Die Maßgenauigkeit und die Oberflächengüte von SLM-gedruckten Teilen liegen in einem relativ großen Bereich, der von den gewählten Parametern, der Komplexität der Geometrie, der Nachbearbeitung und der Technik des Bedieners abhängt.

SLM-Genauigkeit und Oberflächengüte

Metrisch Bereich Beschreibung
Maßgenauigkeit ± 0,1-0,3% mit ±50 μm typisch Maß für den Unterschied zwischen CAD und gebautem Teil
Mindestwanddicke 0,3-0,5 mm Die dünnsten Merkmale, die gedruckt werden können
Oberflächenrauhigkeit (Ra) 6-14 μm Höhere Rauhigkeit als bei bearbeiteten Teilen
Porosität <1% Dichte Nahezu vollständig dichte Teile bei optimalen Parametern
Eigenspannungen 50-500 MPa Muss durch Wärmebehandlung entlastet werden

Geeignete Ausrichtung, Stützstrukturen, Vorwärmung der Bauplatte, optimierte Scanstrategien und Nachbearbeitungsschritte wie CNC-Bearbeitung und Polieren können die Oberflächengüte verbessern. Die Maßgenauigkeit hängt auch stark von der richtigen Kalibrierung der Geräte ab.

Nachbearbeitungsanforderungen

Nachdem das SLM-System die Herstellung eines Bauteils abgeschlossen hat, sind in der Regel weitere Nachbearbeitungsschritte erforderlich, bevor die Teile in Betrieb genommen werden können. Diese Schritte können umfassen:

  • Entnahme von Teilen aus dem Pulverkuchen
  • Beseitigung von Stützstrukturen
  • Spannungsabbauende Wärmebehandlungen
  • Heißisostatisches Pressen (HIP)
  • Oberflächenschleifen, Sandstrahlen, Perlstrahlen, Polieren
  • Zerstörungsfreie Prüfung

Die Nachbearbeitung zielt darauf ab, die Oberflächenrauheit zu verringern, Eigenspannungen abzubauen, Mikroporositäten zu schließen und die Maßgenauigkeit und Ästhetik zu verbessern.

Spezifische Verfahren werden durch den Materialtyp, die Produktionsabsicht (Prototyp vs. Funktionsteil), die Leistungsanforderungen und die erforderlichen kritischen Toleranzen bestimmt.

Kostenanalyse

Die Ermittlung der Investitionsrentabilität für die Anschaffung und den Betrieb eigener SLM-Fertigungskapazitäten für die additive Fertigung hängt von vielen Variablen ab.

SLM-Kostenüberlegungen

Kostenfaktor Beschreibung
Maschinenausstattung $150k - $1M+ je nach Bauvolumen, Multi-Laser-Optionen, zusätzliche Funktionen wie automatisierte Pulververarbeitung und -rückgewinnung
Anforderungen an die Einrichtung Inertgas-Handling-System, Entlüftungsfilter, explosionsgeschützte Konstruktion, Temperatur-/Feuchtigkeitsregelung
Installation und Schulung In der Regel 2 Wochen für die Einrichtung der Maschine, Kalibrierung und Softwareeinweisung
Arbeit Maschinenbedienung weniger intensiv als bei der CNC-Bearbeitung, aber immer noch Bediener erforderlich; CAM-Experte empfohlen
Materialien $100-500 pro kg Pulver; Wiederverwertbarkeit variiert; optimierte Parameter pro Legierung
Nachbearbeitung Arbeit, Werkzeuge, ausgelagerte Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung
Software $10k-$25k-Bereich für Vorverarbeitung, Simulation, Fernüberwachungsanwendungen
F&E Iterationen Testen von Parametern für neue Teile mit dem für die Qualifizierung wichtigen Agile-Prozess
Auftragsvolumen Kleine/mittlere Chargen sind ideal im Vergleich zum Gießen/Gießen großer Mengen

Wägen Sie die Gesamtbetriebskosten gegen Werttreiber wie:

- Designfreiheit für Gewichtsreduzierung, kundenspezifische Anpassung, Teilekonsolidierung

- Verkürzung der Vorlaufzeit von Monaten auf Tage/Stunden

- Vereinfachung der Lieferkette durch Fertigung auf Abruf

- Leistungsverbesserungen wie erhöhte Festigkeit und Härte

- Nachhaltige Produktion mit minimalem Abfall gegenüber subtraktiven Methoden

- Verlängerte Lebensdauer hochwertiger Teile wie in der Luft- und Raumfahrt und in der Medizintechnik

Die Quantifizierung von Produktivitäts- und Innovationsgewinnen ist entscheidend. Mit etwas Erfahrung können die Gesamtkosten pro mit SLM hergestelltem Teil mit denen der CNC-Bearbeitung bei kleineren Produktionsserien mithalten.

Industrie-Normen

Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, werden derzeit noch Anstrengungen unternommen, um branchenweite Spezifikationen, Codes und Normen für die additive SLM-Fertigung einzuführen.

SLM-Standardisierungs-Landschaft

Normungsgremium Umfang Spezifische Normen
ASTM F42 Additive Fertigungsverfahren Prüfmethoden, Terminologie, Prozessparameter, Umgebungen, Materialien, Gesundheit und Sicherheit
Amerika macht Normen für die additive Fertigung Roadmap für AM-Standards für Materialien, Prozesse und Datenformate in den Bereichen Verteidigung, Luft- und Raumfahrt sowie Schifffahrt
ISO TC 261 AM-Normen 17 veröffentlicht, 46 in der Entwicklung: Terminologie, Prozesse, Arbeitsabläufe, QA, Umgebungen, Sicherheit
ASME Bewertung der Konformität Programm für die Qualifizierung von AM-Teilen; zertifiziert AM-Prozesse für die Einhaltung von Vorschriften

Die Zertifizierung nach diesen Normen gewährleistet Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit bei der Auftragsvergabe für AM-Teile in der gesamten Lieferkette. Die Einhaltung der Normen ermöglicht auch eine breitere Akzeptanz in regulierten Sektoren wie der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik.

Fallstudien

Zahlreiche Unternehmen nutzen die Designfreiheit und die kurzen Vorlaufzeiten von SLM, um leichtere und stabilere Komponenten zu fertigen - von Raketen für die Luft- und Raumfahrt bis hin zu Formel-1-Autos.

SLM Additive Manufacturing Anwendungsbeispiele

Industrie Unternehmen Teil Vorteile
Luft- und Raumfahrt SpaceX SuperDraco-Motorkammer 75% Kostenreduzierung, geliefert in Tagen statt Monaten
Luftfahrt Boeing 777X Klammern Konsolidierte Baugruppen, 60% mit geringerem Gewicht
Automobilindustrie Bugatti Bremssattel Reduzierte Masse durch 40%, optimierter Flüssigkeitsstrom
Medizinische Zimmer Biomet Wirbelsäulen-Implantate Maßgeschneiderte Formen für die Anatomie, osteokonduktive Strukturen zur Unterstützung des Knochenwachstums

Diese Anwendungen zeigen, dass SLM-Teile die herkömmlichen Fertigungsbeschränkungen übertreffen. Je mehr Unternehmen AM-Technologien einsetzen, desto größer werden die Innovationsmöglichkeiten.

SLM Additive Fertigung - FAQs

Häufig gestellte Fragen zu SLM

Frage Antwort
Wie funktioniert der SLM-Druck? SLM baut Teile Schicht für Schicht aus Metallpulver auf, wobei ein Laserstrahl das Material auf der Grundlage von CAD-Daten selektiv schmilzt und verschmilzt.
Welche Materialien sind verfügbar? Am beliebtesten sind Edelstahl 316L und 17-4, Titanlegierung Ti64, Kobalt-Chrom, Aluminium AlSi10Mg, Werkzeugstahl, Nickelsuperlegierungen
Was sind die wichtigsten Vorteile gegenüber der maschinellen Bearbeitung? Konstruktionsfreiheit für Leichtbaustrukturen, kundenspezifische Anpassung, Teilekonsolidierung; kürzere Lieferzeiten; weniger Abfall; verbesserte mechanische Eigenschaften
Was bestimmt die Oberflächenbeschaffenheit? Schichtauflösung, Bauparameter, Ausrichtung, Nachbearbeitungsschritte wie Perlstrahlen
Welche Genauigkeit kann SLM erreichen? Eine Maßgenauigkeit von ±0,1-0,3% ist für die meisten Anwendungen typisch, wobei die Mindestwandstärken bei 0,3-0,5 mm liegen.
Braucht der SLM-Prozess Unterstützung? Bei erheblichen Überhängen sind je nach Ausrichtung und Geometrie Stützkonstruktionen erforderlich
Welche Nachbearbeitung ist erforderlich? Die Schritte können das Entfernen von Stützen, Spannungsentlastung, heißisostatisches Pressen, Oberflächenbearbeitung wie Schleifen oder Polieren umfassen.
Für welche Anwendungen ist SLM geeignet? Schnelle Prototypen, kundenspezifische Werkzeuge, wie Vorrichtungen, und direkte Metallteile für den Endgebrauch in der Luft- und Raumfahrt, Medizin-, Dental- und Automobilindustrie
Wie sieht es mit der Qualität im Vergleich zur traditionellen Fertigung aus? Mit optimierten Parametern erreichen oder übertreffen >99% dichte SLM-Teile mechanische Eigenschaften und Lebensdauer
Wie sollte das Design für SLM angepasst werden? Konforme Kanäle, Gitter, Topologieoptimierung - all das eignet sich hervorragend für AM. Leitlinien helfen bei der Anpassung von Teilen.

Diese FAQ fasst die Antworten auf die wichtigsten Fragen zur additiven Fertigung durch selektives Laserschmelzen zusammen. SLM ermöglicht neue Leistungsmaßstäbe dank völliger Designfreiheit.

Die Zukunft von SLM

Die Verbreitung von SLM nimmt weiter zu, da immer mehr Branchen die Grenzen der additiven Fertigung ausloten. Fortschritte bei Ausrüstung, Software, Materialien und Qualitätsprozessen werden die Anwendungsmöglichkeiten erweitern.

Erwarten Sie eine breitere Verfügbarkeit von spezialisierten Maschinen und Bearbeitungsparametern aus mehreren Legierungen von führenden Druckerherstellern. Hybride Systeme, die komplementäre Prozesse wie Fräsen, Bohren und Inspektion umfassen, werden ebenfalls für die integrierte Fertigung entwickelt. Automatisierte Pulverentfernung und -rückgewinnung werden die Kosten senken.

Die Überwachung in Echtzeit ermöglicht noch strengere Prozesskontrollen und eine geschlossene Qualitätssicherung. Algorithmen des maschinellen Lernens können die Gebäudeleistung optimieren. In dem Maße, in dem sich die Standards für bewährte Verfahren verfestigen, werden die Nutzer auch mehr Vorhersehbarkeit gewinnen.

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MET3DP Technology Co., LTD ist ein führender Anbieter von additiven Fertigungslösungen mit Hauptsitz in Qingdao, China. Unser Unternehmen ist spezialisiert auf 3D-Druckgeräte und Hochleistungsmetallpulver für industrielle Anwendungen.

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