slm-Fertigung ist ein additives Fertigungsverfahren im Pulverbettschmelzverfahren, das branchenübergreifend eingesetzt wird. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über SLM - Funktionsweise, Materialien, Anwendungen, Vor- und Nachteile, Systemanbieter und mehr.
Überblick über das selektive Laserschmelzen (SLM)
Die slm-Fertigung ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Laser verwendet wird, um Metallpulver selektiv Schicht für Schicht zu schmelzen und so vollständig dichte Teile zu erzeugen. Wichtigste Eigenschaften:
- Verwendet 3D-CAD-Daten zur Steuerung des Laserschmelzens von Pulverschichten
- Erreicht bei den meisten Legierungen nahezu die volle Dichte (>99%)
- Ermöglicht komplexe Geometrien, die beim Gießen/Bearbeiten nicht möglich sind
- Zu den gängigen Materialien gehören Edelstahl, Titan, Aluminium, Nickellegierungen
- Typische Schichtdicke 20-100 Mikrometer
Die slm-Fertigung bietet Designfreiheit und mechanische Eigenschaften, die denen der traditionellen Fertigung nahe kommen.
Wie die slm-Fertigung Funktioniert
Beim SLM wird ein Hochleistungslaser verwendet, um feines Metallpulver in präzisen Mustern zu schmelzen:
- Das CAD-Modell wird digital in dünne Querschnittsschichten zerlegt
- Die Pulverschicht wird gleichmäßig über die Bauplattform verteilt
- Der Laser schmilzt das Pulver auf der Grundlage der einzelnen Scheiben und verschmilzt die Partikel miteinander
- Die Plattform senkt sich, eine neue Schicht wird aufgetragen, und der Vorgang wiederholt sich
- Vollkommen dichte Teile werden additiv Schicht für Schicht aufgebaut
Eine schützende Inertgasatmosphäre verhindert die Oxidation während des Aufbaus.
Materialien für SLM
Für das SLM-Verfahren können viele Metallpulver verwendet werden, unter anderem:
SLM Metallische Werkstoffe
- Rostfreier Stahl (316L, 17-4PH, 15-5PH)
- Werkzeugstahl (H13, M2)
- Titan (Ti-6Al-4V)
- Aluminium (AlSi10Mg)
- Kobalt-Chrom (CoCr)
- Nickellegierungen (Inconel 625, 718)
- Kupferlegierungen
- Edelmetalle
Die Pulver sind in der Regel zwischen 15 und 45 Mikrometer groß. Einige Legierungen erfordern spezielle Parameter, um erfolgreich zu drucken.
Anwendungen von SLM-Teilen
Die slm-Fertigung ermöglicht die Konsolidierung von Baugruppen zu einteiligen Komponenten ohne Montage. Häufige Anwendungen sind:
SLM-Teile-Anwendungen
- Luft- und Raumfahrt - leichte Strukturen, Turbinen, Halterungen
- Medizin - Implantate, Prothesen, chirurgische Instrumente
- Automotive - Leichtbaukomponenten, Sonderanfertigungen
- Werkzeugbau - Spritzgießformen mit konformer Kühlung
- Energie - komplexe Öl-/Gasventile, Wärmetauscher
- Verteidigung - kundenspezifische Drohnen-/Roboterteile, die Festigkeit benötigen
SLM ermöglicht optimierte Designs mit geringerem Gewicht und kürzeren Lieferzeiten als bei der traditionellen Fertigung.
Vorteile der additiven Fertigung mit SLM
Die wichtigsten Vorteile, die SLM attraktiv machen:
- Komplexe Geometrien und Mikrostrukturen möglich
- Vollkommen dichte und isotrope Materialeigenschaften
- Weniger Abfall - nur benötigtes Material verwenden
- Gewichtsreduzierung durch Konsolidierung von Baugruppen
- Schnelle Durchlaufzeit für Entwurfsiterationen
- Kein Bedarf an Spezialwerkzeugen wie Guss-/Schmiedegesenken
- Kundenspezifische Legierungen und abgestufte Materialien möglich
Die slm-Fertigung bietet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur Herstellung verbesserter Komponenten, die sonst nicht realisierbar wären.
Grenzen der slm-Herstellung
SLM hat im Vergleich zur konventionellen Fertigung einige Nachteile:
- Höhere Teilekosten bei kleinen Produktionsmengen
- Begrenzte Größe aufgrund der Abmessungen der Baukammer (wird im Laufe der Zeit verbessert)
- Eingeschränkte Werkstoffauswahl im Vergleich zu Guss- oder Knetlegierungen
- Nachbearbeitung wie Oberflächenveredelung oft erforderlich
- Spezielle Handhabung von reaktiven Pulvern wie Titan und Aluminium
- Mögliche Defekte, die Inspektionsmethoden zur Identifizierung erfordern
- anisotrope Eigenschaften bei einigen Materialien und Konstruktionen
Die Herausforderungen werden durch den ständigen technologischen Fortschritt entschärft.
SLM-Systemlieferanten
Zu den wichtigsten Herstellern von SLM-Anlagen gehören:
Bemerkenswerte SLM-Systemanbieter
- EOS
- 3D-Systeme
- GE-Zusatzstoff
- Trumpf
- Renishaw
- DMG Mori
- Sisma
- Mazak
- AMCM
Viele bieten schlüsselfertige Systeme sowie Pulverhandhabungs- und Nachbearbeitungsgeräte an.
Kostenanalyse von slm-Fertigung Produktion
Wie die meisten AM-Verfahren hat auch SLM hohe Anfangskosten, aber niedrige Stückkosten bei hohen Stückzahlen:
- SLM-Systemkosten ~$500.000 bis $1M+
- Abbaurate ~5-20 cm3/Stunde (~10-50g/Stunde)
- Arbeitsaufwand ~5-10 Stunden einschließlich Nachbearbeitung
- Materialkosten ~$50-200/kg
- Die Gesamtkosten eines Teils können $500 bis $5000+ betragen.
Die höchsten Kosten sind Arbeit, Systeminvestitionen und Materialien. Wettbewerbsfähig bei kleinen/mittleren Mengen.
SLM vs. Metallguss und maschinelle Bearbeitung
| Prozess | Profis | Nachteile | Beste Anwendungen |
|---|---|---|---|
| SLM | Designfreiheit, geringes Gewicht, schneller Durchlauf, minimaler Abfall | Begrenzte Größe, höhere Kosten bei geringen Mengen, Nachbearbeitung | Komplexe Teile in kleinen und mittleren Stückzahlen |
| Metallguss | Nahezu Nettoform, gut für einfache bis komplexe Teile, niedrigere Kosten bei Volumen | Zusätzliche Schritte zur Fertigstellung von Teilen, Konstruktionseinschränkungen, Werkzeugkosten | Mittlere bis hohe Produktionsmengen |
| CNC-Bearbeitung | Große Auswahl an Materialien, hohe Genauigkeit, gute Oberflächengüte | Abfall durch subtraktives Verfahren, höhere Kosten bei geringeren Mengen, Konstruktionseinschränkungen durch Werkzeugzugang | Geringes bis mittleres Volumen, bei dem sich das Design häufig ändert |
Jedes Verfahren hat Vorteile, die für bestimmte Anwendungen, Produktionsmengen und Ziele geeignet sind.
FAQ
Welche Materialien können mit SLM 3D gedruckt werden?
Die gängigsten SLM-Werkstoffe sind Legierungen aus Edelstahl, Titan, Aluminium, Kobalt-Chrom, Nickel, Kupfer und Edelmetallen. Auch verschiedene Werkzeugstähle und Superlegierungen sind möglich.
Was ist die typische Genauigkeit von SLM-Teilen?
SLM kann Teile mit einer Genauigkeit von etwa +/- 0,005 in/in herstellen, abhängig von Faktoren wie Schichtdicke, Scanstrategie, Geometrie und Nachbearbeitung. Kritische Oberflächen müssen möglicherweise bearbeitet werden.
Welche Arten der Nachbearbeitung sind für SLM-Teile erforderlich?
Die typische SLM-Nachbearbeitung umfasst das Entfernen von Stützen, das Spannungsentlasten, das Polieren/Läppen der Oberfläche, das Heiß-Isostatische Pressen zur Beseitigung innerer Hohlräume und gegebenenfalls Wärmebehandlungen.
Kann SLM funktional abgestufte Materialien herstellen?
Ja, SLM kann komplexe, abgestufte Strukturen herstellen, indem es die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials und die Mikrostruktur an verschiedenen Stellen des Bauteils intelligent variiert.
Ist SLM für die Massenproduktion geeignet?
Derzeit ist SLM vor allem für kleine bis mittlere Produktionsmengen bis zu Tausenden von Teilen geeignet, bei denen die Vorteile der Designflexibilität und der kundenspezifischen Eigenschaften die Kosten rechtfertigen.
SLM ermöglicht bahnbrechende Leistungssteigerungen durch additive Verfahren. Wenn die Technologie ausgereift ist, werden die Kosten wettbewerbsfähiger werden.
Schlussfolgerung
Das selektive Laserschmelzen hat die Fertigung in allen Branchen revolutioniert, da es komplexe, optimierte Geometrien ermöglicht, die früher unmöglich waren. Durch das Verschmelzen von Pulverschichten mit einem fokussierten Laser werden aus 3D-Modelldaten dichte, funktionale Metallkomponenten hergestellt. Auch wenn die Kosten bei kleineren Stückzahlen noch höher sind, bietet SLM eine nie dagewesene Freiheit bei der Neukonzeption von Bauteildesigns zur Leistungssteigerung. Die Palette der Werkstoffe wird ständig erweitert und umfasst Metalle wie Titan, Aluminium, Stahl, Nickel- und Kobaltlegierungen. Im Zuge des technologischen Fortschritts wird SLM für die Produktion höherer Stückzahlen in Frage kommen und die konventionelle Fertigung dort ergänzen, wo sie Vorteile bietet. SLM eröffnet Designern und Ingenieuren immer neue Möglichkeiten.
