SLS 3D-Druck (Selective Laser Sintering) hat die Art und Weise revolutioniert, wie komplexe dreidimensionale Objekte hergestellt werden, indem er beispiellose Gestaltungsfreiheit und Vielseitigkeit bei der Materialauswahl bietet. Diese bahnbrechende Technologie verwendet Laser und Pulvermaterialien, um Objekte schichtweise aufzubauen und eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten für verschiedene Branchen, von der Prototypenerstellung bis zur Serienproduktion.

SLS-Pulver wird in der Regel in großen Mengen geliefert, die üblicherweise in Kilogramm oder Litern gemessen werden. Lieferanten bieten SLS-Pulver in verschiedenen Verpackungsgrößen an, um verschiedenen Benutzeranforderungen gerecht zu werden, von kleinen Mengen wie einigen Kilogramm bis hin zu größeren Mengen von zehn oder hundert Kilogramm. Die Wahl der Pulvermenge hängt von der Skala der geplanten 3D-Druckprojekte und der Häufigkeit des Materialverbrauchs ab.

Das Wissen um die Druckkapazität von 1 kg SLS-Pulver bietet zahlreiche Vorteile. Es ermöglicht nicht nur die Optimierung von Ressourcen und eine bessere Kostenkontrolle, sondern auch die optimale Planung und Skalierung von Projekten, die Steigerung der Kundenzufriedenheit und die Reduzierung von Durchlaufzeiten. Das Volumen von 1 kg SLS-Pulver kann je nach dem verwendeten spezifischen Material (seiner Dichte) variieren, aber als grobe Annäherung wird oft angenommen, dass 1 kg SLS-Pulver ein Volumen von etwa 2 bis 2.5 Litern einnimmt. Die Frage ist: Wie viele Teile oder wie groß kann ein Teil mit dieser Menge SLS-Pulver gedruckt werden? Die Antwort hängt von vielen Faktoren ab.

Welche Faktoren spielen eine Rolle?

Die Menge, die mit 1 kg SLS (Selective Laser Sintering) Pulver gedruckt werden kann, hängt im Wesentlichen vom spezifischen Pulvermaterial, der Größe und Komplexität des Teils oder dem gewünschten Detailniveau ab. Dennoch gibt es drei Hauptfaktoren, die bei der Gestaltung, dem Druck und der Nachbearbeitung berücksichtigt werden sollten, um das Beste aus einer gegebenen Menge SLS-Pulver in einem bestimmten Projekt herauszuholen. Diese Faktoren sind:

1. Teilausrichtung.
2. Dichteverpackung.
3. Pulverauffrischung.

Wie viel mit 1 kg SLS-Pulver 3D-gedruckt werden kann, wird am Beispiel des PA12 Industrial SLS-Pulvers von Sinterit und des kompakten SLS 3D-Druckers Lisa X gezeigt. Dabei werden Teilausrichtung, Dichteverpackung und Pulverauffrischung berücksichtigt. Diese Konzepte werden zunächst kurz erläutert und dann wird das Beispiel von Sinterit diskutiert, wobei spezifische Druckparameter und das endgültige Ergebnis des verwendeten Pulvers angegeben werden.

Teilausrichtung

Die Teilausrichtung ist ein entscheidender Aspekt des SLS 3D-Drucks, der die Qualität der gedruckten Teile in Bezug auf Oberflächenfinish, strukturelle Integrität (Verzug und Verformung) sowie mechanische Eigenschaften und den Support-Bedarf maßgeblich beeinflusst. Die Teilausrichtung hat jedoch auch Auswirkungen auf die benötigte Pulvermenge für den Druck. Je höher das Teil/Anordnung ist, desto mehr Schichten werden benötigt und somit auch mehr Pulver verbraucht.

Empfehlungen zur Teilausrichtung

Wenn ein Quader mit den Maßen 100 x 10 x 10 mm flach auf der langen Seite gedruckt wird, werden nur 57-133 Schichten benötigt (abhängig von der gewählten Genauigkeit). Wenn der gleiche Quader jedoch um 45º gedreht wird, erhöht sich die Anzahl der benötigten Schichten für die Ausführung des Teils um das Siebenfache. Dies mag wie eine perfekte Gelegenheit erscheinen, Material durch Wahl einer horizontalen anstelle einer vertikalen Ausrichtung zu sparen, jedoch riskieren wir dabei Verzug und Biegen des Teils.

Beim Abkühlen gedruckter Teile nach dem Druck können Temperaturunterschiede zu thermischer Spannung führen. Die Ecken eines Teils kühlen in der Regel schneller ab als das Innere, was zu ungleichmäßiger Schrumpfung führen kann. Dies kann insbesondere dann zu Verzug führen, wenn das Abkühlen schnell erfolgt oder das Material einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

Es sollte beachtet werden, dass nicht jedes Teil flach gedruckt werden kann, aufgrund möglicher Verzugs- und Biegeprobleme, und in solchen Fällen sollte unabhängig von den Schichten und dem Material, das für den Aufbau des Teils erforderlich ist, die beste Ausrichtung gewählt werden.

Bild 1: Empfehlungen für die Teilausrichtung im SLS 3D-Druck. Quelle: Sinterit.

Die anderen Goldenen Regeln der Teilepositionierung für beste Ergebnisse im SLS 3D-Druck sind:

1. Platzierung des Modells in der Mitte des Druckbetts unten (für eine bessere Wärmeverteilung) und Hinzufügen weiterer Modelle an den Rändern und von unten nach oben.
2. Die Modelle sollten auch gleichmäßig verteilt werden (mit Lücken größer als 4 mm).
3. Kleinere Modelle können innerhalb größerer Modelle platziert werden, um weitere Optimierungen vorzunehmen.
4. Es ist wünschenswert, in jeder Schicht die gleiche Druckfläche zu haben, sofern möglich.
5. Wenn ein sehr glattes Oberflächenfinish gewünscht ist, sollten die Teile nach unten gerichtet sein (Unterteile neigen dazu, mit SLS 3D-Druck das glatteste Finish zu haben).
6. Wenn scharfe Kanten oder Details erforderlich sind, sollte das Gegenteil getan werden (Teile nach oben gerichtet).
7. Um eine dimensionale Genauigkeit bei Teilen mit Löchern, Kanälen und Öffnungen zu erreichen, sollten diese Elemente parallel zur Z-Achse platziert werden.
8. Dasselbe gilt für Bewegungsteile, die auch einen funktionalen Spalt von 0.2-0.5 mm Freiraum zwischen den beweglichen Elementen aufweisen sollten.

Das Beispiel

Abgesehen von Verzugsproblemen soll anhand eines einfachen Zahnrad-Designs demonstriert werden, wie viel mit 1 kg (2 l) PA12 Industrial auf dem Lisa X gedruckt werden kann. Für dieses spezielle Design ist eine flache Ausrichtung perfekt, da sie die Schärfe der Zahndetails gewährleistet und eine bessere Wärmeableitung durch die Löcher und Perforationen nach oben ermöglicht. Dieses Risiko wird auch durch die zylindrische Form des Zahnrads verringert, da Zylinder keine Ecken haben.

Bild 2: Acht Zahnräder wurden auf einer Bauplatte angeordnet. Quelle: Sinterit.

Unter Berücksichtigung all dessen konnten dank einer flachen Anordnung acht Zahnräder angepasst werden. Nachdem das Design mit einer Schichthöhe von 0.125 mm laminiert wurde, wurde die geschätzte Menge an benötigtem Pulver auf etwa 1.92 l (also etwas weniger als 1 kg) geschätzt. Darüber hinaus musste nach Abschluss des Drucks das unversinterte Pulver aufgefrischt werden, um für weitere Drucke geeignet zu sein. Dieser Prozess erforderte das Hinzufügen von etwa 0.54 l frischem SLS-Pulver (ca. 0.3 kg) zum aufgefangenen unversinterten Pulver.

Packdichte

Die Packdichte spielt beim SLS 3D-Druck eine entscheidende Rolle, da sie sowohl den Kosten- als auch den Qualitätsfaktor der gedruckten Teile beeinflusst. Die Packdichte bezieht sich auf die Anordnung der Teile innerhalb der Druckkammer und bestimmt, wie eng sie zusammengepackt sind. Eine höhere Packdichte bedeutet, dass mehr Teile gleichzeitig gedruckt werden können, was die Nutzung des verfügbaren Pulvers maximiert und die Materialkosten pro Teil reduziert.

Bild 3: Eine zu etwa 40 % gefüllte Druckplatte. Quelle: Sinterit.

Darüber hinaus kann eine dichtere Anordnung den Wärmeübergang während des Druckprozesses verbessern, Verzug minimieren und eine dimensionale Genauigkeit fördern. Eine hohe Packdichte erfordert jedoch sorgfältige Überlegungen, um eine effiziente Nutzung des Raums bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Druckqualität zu gewährleisten. Weitere Informationen zur Packdichte finden Sie in diesem Artikel von Sinterit.

Das Beispiel

Für das Zahnraddesign, das in Bild 2 gezeigt wird, konnte durch eine Packdichte von 7 % auf der Druckplatte ein niedrigerer Preis pro Teil für diesen Druck erreicht werden. Die Packdichte von 7 % entspricht einem Preis von 2.49 € pro Teil (für einen Lisa X 3D-Drucker), und je höher die Packdichte ist, desto niedriger ist der Teilepreis.

Bild 4: Eine höhere Packdichte optimiert den Pulvereinsatz und reduziert die Kosten pro Teil. Quelle: Sinterit.

Die optimale Platzierung der Teile auf der Bauplatte kann durch Laminiersoftware simuliert werden. Diese Tools können die Anordnung der Teile optimieren, um eine höhere Packdichte zu erreichen, unter Berücksichtigung von Faktoren wie Teilausrichtung, Verschachtelung und Minimierung ungenutzten Raums. Die Analyse kann quantitative Kennzahlen wie die Packungseffizienz oder den Prozentsatz der Raumnutzung liefern.

Pulverauffrischung

Aufgrund des SLS-Prozesses, bei dem nur das Material, das tatsächlich im Teil verwendet wird, gesintert wird, kann das verbleibende ungesinterte Pulver gesammelt, gesiebt und mit frischem Pulver gemischt werden, um eine gleichbleibende Pulverschicht für nachfolgende Drucke aufrechtzuerhalten. Dies wird in der Regel mit spezialisierten speziellen Pulverwerkzeugen und Pulverhandhabungsstationen durchgeführt. Einige Pulver benötigen eine Auffrischungsrate von bis zu 60 % und einige erfordern überhaupt keine Auffrischung.

Video 1: SLS-Pulverauffrischung. Quelle: Sinterit.

Indem das ungesinterte Pulver effektiv aufgefrischt und wiederverwendet wird, wird der SLS-Druck kostengünstiger und umweltfreundlicher, da Materialabfälle reduziert und die Nutzung des Pulvermaterials maximiert werden. Durch das Auffrischen des Pulvers werden optimale Druckbedingungen sichergestellt, da erschöpftes Pulver aufgefüllt wird und die gewünschten Pulvereigenschaften wie Fließfähigkeit und Partikelverteilung erhalten bleiben. Weitere Tipps zur Pulverauffrischung finden Sie hier.

Das Beispiel

Das Zahnraddesign hat ein Volumen von ungefähr 100 cm³. Wenn davon ausgegangen wird, dass zwei Liter Pulver (1 kg) 2000 cm³ ergeben, bleiben ungefähr 1.8 l ungesintertes Pulver übrig. Die Menge beträgt nicht 1.9 l, da der SLS-3D-Druckprozess das gesinterte Pulver doppelt so dicht macht. Das endgültige Designvolumen beträgt tatsächlich 200 cm³. Mit Hilfe der Pulvernachbearbeitungswerkzeuge und -geräte kann das verbleibende 1.8 l (fast ein Kilogramm) Pulver wieder aufbereitet und wiederverwendet werden, nachdem der angemessene Prozentsatz an frischem Pulver hinzugefügt wurde. Zusammenfassend könnte in diesem Fall des Zahnraddesigns 1 kg Pulver mehrere Chargen dieses Designs produzieren.

Schlussfolgerungen

Kompakte SLS-3D-Drucker bieten hervorragende Wirtschaftlichkeit bei der Produktion kleiner Chargen. Die anfängliche Investition in Druckmaterialien ist relativ gering, vorausgesetzt, bestimmte Positionierungs-, Bettpackungs- und Pulverauffrischungsregeln werden befolgt.

Wie am Beispiel des Zahnraddesigns gezeigt, das mit dem Sinterit Lisa X Drucker und PA12 Industrial Pulver gedruckt wurde, kann 1 kg Pulver mehrere Chargen des Designs mit 8 optimal positionierten Teilen erzeugen, die mit einer Packungsdichte von 7 % auf dem Druckbett angeordnet sind.