Metallsintern

1. Einführung

Das Rapid Prototyping (RP) -Verfahren Selektives Laser Sintern (SLS) diente ursprünglich zur Erstellung von Anschauungs- und Funktionsmodellen aus Kunststoff. Durch die Verbesserung der Anlagentechnik und der Materialien verschob sich das Einsatzfeld vom reinen Prototypenbau hin zu der Erstellung von Prototypen, Bauteilen und Kleinserien mit einer heutigen Gewichtung von ca. 1 : 1. Die Entwicklung weiterer Werkstoffe folgte und damit eine Öffnung des Verfahrens für neue Anwendungsgebiete. Es kann grundsätzlich jeder granulierte / pulverförmige Werkstoff - wobei in gewissen Grenzen eine Manipulation des Werkstoffes erforderlich ist - mit dem SLS-Verfahren verarbeitet werden.

Prozesskette des SLS-Verfahrens für Zwei-Komponenten Werkstoffe - Metall und Polymerbinder:
CAD Daten File => *.STL File => SLS Maschine => Grünling => Ofen Prozess => Bauteil / Werkzeug

Das SLS-Verfahren bzw. mit dem SLS-Verfahren hergestellte Bauteil zeichnen sich durch folgende Charakteristika aus:

Schnelle Herstellung von Teilen

Generierung von Freiformflächen direkt aus dem CAD File

Große gestalterische Freiheit bei der CAD Konstruktion

Endnahe Bauteileigenschaften sowohl mechanisch, thermisch und optisch

Einsatz der Bauteile wahlweise als Funktions- und / oder Anschauungsmodell

Optimale Platzierung von Kühlkanälen jeglicher Form innerhalb eines Spritzgusswerkzeugs

Herstellung von filigranen Strukturen und komplexen Geometrien

2. Stand der Technik

Das versintern von Kunststoff-Werkstoffen wird bereits seit ca. 10 Jahren im industriellen und Forschungsbereich betrieben. Beobachtet man dieses Marktsegment z.B. auf Messen, Fachtagungen, im Internet oder in der Literatur, so kann die Prozesskette des Lasersinterns von Kunststoffen als gesichert angesehen werden. Ganz anders sieht es dagegen beim SLS-Prozess von Metall aus. Das Verfahren ist erst seit ca. 5 Jahren auf dem Markt, also noch ein sehr junges Fertigungsverfahren. Betrachtet man das Verfahren der Firma DTM Corp. (jetzt 3D-Systems Corp.), kann man heute sogar schon von einer zweiten Entwicklungsstufe sprechen. Mit dem ersten Werkstoff "Rapid Steel" waren insgesamt vier Prozessschritte nötig um aus dem Ausgangswerkstoff ein fertiges Bauteil zu generieren:

Erstellen eines 3D-CAD Files

Sintern des Grünlings in der Anlage

Ausbrennen des Polymerbinders in einem 1. Ofenprozess

Infiltration des Braunlings mit Kupfer in einem 2. Ofenprozess

Der Weiterentwickelte Prozess / Werkstoff zeigt heute "nur" noch drei Prozessschritte auf:

Erstellen eines 3D-CAD Files

Sintern des Grünlings in der Anlage

Ausbrennen des Polymerbinders und infiltrieren mit Bronze in einem Ofenprozess

Die Bauteile zeigen ein sehr dynamisches Verhalten in Form von Schrumpf und Schwellen während der Prozessschritte - mit Bauteilabweichungen von bis zu 4 mm. Diese Bauteilabweichungen basieren auf der Tatsache, dass man je nach Bauteilgeometrie und -größe keinen universellen Wert für die Skalierungs- und Beamoffsetwerte einstellen kann. Das heißt, dass die Werte für die Skalierung und den Beamoffset für die relevanten Maße einzustellen sind - man muss einen Kompromiss eingehen. Mit den entsprechenden Werten sind allerdings Genauigkeiten von 1/10mm und filigrane Strukturen realisierbar.

Die Werkstoffeigenschaften des Materials LaserForm ST-100 der Firma 3D-Systems zeichnen sich durch gute mechanische (Zugfestigkeit 500 N/mm²) und thermische (Wärmeleitfähigkeit 49-56 W/m K) Eigenschaften für die Verwendung im Spritzguss aus.

3. Ziel des Projektes

Analyse und Sicherung der Prozesskette in Bezug auf die Maschinentechnik, den Ofenprozess und das Werkstoffverhalten

Ermittlung von bestmöglichen Skalierungsparametern in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie

Erarbeiten von Richtwerten für eine RP gerechte Konstruktion

Verbesserung der Maßhaltigkeit und der Oberflächenqualität

Überlegungen zur Reduzierung der Nachbearbeitung

Erarbeitung von Einsatzfeldern für die Verwendung des SLS-Verfahrens im Bereich Rapid Manufacturing

Kontakt zu diesem Projekt