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Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen beispielsweise Einzelnachweisen ausgestattet Angaben ohne ausreichenden Beleg konnten demnachst entfernt werden Bitte hilf Wikipedia indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfugst Das selektive Laserschmelzen englisch Selective Laser Melting Abk SLM 1 auch Laser Strahlschmelzen 2 oder pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl Abk PBF LB M 3 genannt ist ein additives Fertigungsverfahren das zur Gruppe der Strahlschmelzverfahren gehort Ahnliche Verfahren sind das Elektronenstrahlschmelzen und das selektive Lasersintern Schema des Fertigungsverfahrens Inhaltsverzeichnis 1 Verfahren 2 Belichtungsstrategie 3 Qualitatsaspekte und Topologie 4 Bezeichnungen und Namensgebung 5 Charakteristika und besondere Aspekte der Technologie 6 Werkstoffe 7 Anwendungen und Branchen 8 Aufbaugeschwindigkeiten und Losgrossenbetrachtung 9 Siehe auch 10 Literatur 11 EinzelnachweiseVerfahren BearbeitenBeim selektiven Laserschmelzen wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dunnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht Der pulverformige Werkstoff wird mittels Laserstrahlung lokal vollstandig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht 4 Anschliessend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen Dieser Zyklus wird solange wiederholt bis alle Schichten umgeschmolzen sind Das fertige Bauteil wird vom uberschussigen Pulver gereinigt nach Bedarf bearbeitet oder sofort verwendet Die fur den Aufbau des Bauteils typischen Schichtstarken bewegen sich fur alle Materialien zwischen 15 und 500 µm Die Daten fur die Fuhrung des Laserstrahls werden mittels einer Software aus einem 3D CAD Korper erzeugt Im ersten Berechnungsschritt wird das Bauteil in einzelne Schichten unterteilt Im zweiten Berechnungsschritt werden fur jede Schicht die Bahnen Vektoren erzeugt die der Laserstrahl abfahrt Um die Kontaminierung des Werkstoffs mit Sauerstoff zu vermeiden findet der Prozess unter Schutzgasatmosphare mit Argon oder Stickstoff statt Durch selektives Laserschmelzen gefertigte Bauteile zeichnen sich durch grosse spezifische Dichten gt 99 aus Dies gewahrleistet dass die mechanischen Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils weitgehend denen des Grundwerkstoffs entsprechen Es kann aber auch gezielt nach bionischen Prinzipien oder zur Sicherstellung eines partiellen E Moduls ein Bauteil mit selektiven Dichten gefertigt werden Im Leichtbau der Luft und Raumfahrt und bei Korperimplantaten sind solch selektive Elastizitaten innerhalb eines Bauteils oft gewunscht und mit konventionellen Verfahren so nicht herstellbar Gegenuber konventionellen Verfahren Gussverfahren zeichnet sich das Laserschmelzen dadurch aus dass Werkzeuge oder Formen entfallen formlose Fertigung und dadurch die Produkteinfuhrungszeit reduziert werden kann Ein weiterer Vorteil ist die grosse Geometriefreiheit die das Anfertigen von Bauteilformen ermoglicht die mit formgebundenen Verfahren nicht oder nur mit grossem Aufwand herstellbar sind Des Weiteren konnen Lagerkosten reduziert werden da spezifische Bauteile nicht bevorratet werden mussen sondern bei Bedarf generativ hergestellt werden Belichtungsstrategie BearbeitenTendenziell gilt je hoher die Laserleistung desto hoher fallt die Rauheit des Bauteils aus Moderne Anlagentechnik kann nach dem Hulle Kern Prinzip Dichte und Oberflachengute beherrschen Die segmentierte Belichtung nimmt dabei gezielt Einfluss auf die Aussenbereiche des Bauteils auf Uberhange und hochdichte Bauteilbereiche Eine optimierte Belichtungsstrategie verbessert das Qualitatsniveau und gleichzeitig die Aufbaugeschwindigkeiten Das Leistungsprofil eines Bauteils kann mit Hilfe der segmentierten Belichtung deutlich gesteigert werden Qualitatsaspekte und Topologie BearbeitenDie Anlagenhersteller verfolgen unterschiedliche Qualitatssicherungsansatze die i d R einerseits off axis bzw ex situ erfolgen oder andererseits On axis bzw in situ Klassische Off axis Inspektionen weisen eine geringere Auflosung und eine niedrigere Erfassungsrate auf Zum Einsatz kommt beispielsweise eine infrarot sensitive Kamera welche ausserhalb der Prozesskammer also ex situ positioniert ist Vorteil einer Ex situ Losung ist die einfache Systemintegration von Anlage und Kamerasystem Ein Off axis Aufbau ermoglicht Aussagen uber das gesamtheitliche Aufschmelz und Abkuhlverhalten Eine detaillierte Aussage uber das Schmelzbad ist jedoch nicht ableitbar Der On axis In situ Aufbau z B Aufbau Concept Laser beruht auf einer koaxialen Anordnung der Detektoren Als Detektoren kommen eine Kamera und eine Photodiode zum Einsatz die dieselbe Optik nutzen wie der Laser Diese koaxiale Integration ermoglicht eine hohe koordinatenbezogene 3D Auflosung Die Erkennungsrate ergibt sich aus der Scan Geschwindigkeit Liegt diese bei 1 000 mm s so ergibt sich 100 µm also die Distanz fur die je eine Aufnahme erzeugt wird Bei 2 000 mm s liegt der Wert bei 200 µm Eine koaxiale Anordnung hat den Vorteil dass die Schmelzbademissionen stets auf einen Punkt der Detektoren fokussiert werden und der Bildausschnitt verkleinert und somit auch die Abtastrate erhoht werden konnen Eine detaillierte Analyse der Schmelzbadcharakteristika Schmelzbadflache und Schmelzbadintensitat wird so moglich Bezeichnungen und Namensgebung BearbeitenDas Verfahren wurde massgeblich am Fraunhofer Institut fur Lasertechnik ILT in Aachen in Kooperation mit F amp S Dr Matthias Fockele und Dr Dieter Schwarze entwickelt 5 Im Zuge der weiteren Prozess und Anlagenentwicklung wurden von verschiedenen Maschinenherstellern unterschiedliche Namen fur das beschriebene Verfahrensprinzip gepragt Selective Laser Melting SLM SLM Solutions Group AG ReaLizer DMG Mori 6 Laser Powder Bed Fusion LPBF Fraunhofer Institut fur Lasertechnik ILT 7 Direct Metal Laser Sintering DMLS EOS LaserCUSING Concept Laser Laser Metal Fusion Trumpf Sisma3D Direct Metal Printing 3D Systems 8 Laser based powder bed fusion of metals PBF LB M ISO und VDI Norm 9 10 Charakteristika und besondere Aspekte der Technologie BearbeitenGeometriefreiheit Die Geometriefreiheit ermoglicht die Herstellung komplexer Strukturen die sich mit konventionellen Verfahren technisch oder wirtschaftlich nicht realisieren lassen Hierzu zahlen Hinterschnitte wie sie bei Schmuck oder technischen Bauteilen auftreten konnen Leichtbau und Bionik Es konnen auch offen porose Strukturen hergestellt werden wodurch Leichtbauteile bei gleichzeitigem Erhalt der Festigkeit erzeugt werden konnen Das Potenzial des Leichtbaus gilt als ein sehr wesentlicher Vorzug des Verfahrens Als bionische Vorlage aus der Natur lasst sich die porose Struktur von Knochen nennen Generell spielen Ansatze der Bionik auf der konstruktiven Seite eine zunehmend wichtige Rolle Redesign und One Shot Ansatz Gegenuber klassischen Guss oder Frasteilen die oft zusammen montiert werden um eine Baugruppe zu bilden ist es moglich eine komplette Baugruppe oder zumindest viele Einzelteile in einem Schuss One Shot Technik aufzubauen Die Anzahl der Bauteile einer Baugruppe sinken tendenziell Man spricht dann von einem Redesign der bisherigen Konstruktion Das generative Bauteil kann so leichter verbaut werden und der Montageaufwand wird so generell reduziert Reverse Engineering Aus einem gefertigten Produkt konnen die Konstruktionselemente extrahiert und in Datensatzen abgebildet werden Auf Grundlage dieser Daten kann das Bauteil kopiert und im Reengineering Redesign optimiert werden Mischbauweise Hybridbauweise Unter der Mischbauweise Hybridbauweise bei SLM Verfahren versteht man die Fertigung eines nur zum Teil generativ gefertigten Bauteils Hierbei wird auf eine ebene Flache eines ersten konventionell gefertigten Bauteilbereichs im anschliessenden SLM Prozess ein zweiter generativ gefertigter Bauteilbereich aufgebaut Der Vorteil der Hybridbauweise liegt darin dass das durch das SLM Verfahren zu fertigende Bauvolumen stark reduziert werden kann und einfache Geometrien konventionell geometrisch anspruchsvollere Bereiche mittels des SLM Verfahrens aufgebaut werden konnen Damit werden die Bauzeit sowie die Kosten fur das metallische Pulvermaterial auf Grund des geringeren Volumens fur den durch das SLM Verfahren gefertigten Bauteilbereich reduziert 11 Prototypen und Unikate Formgebundene Verfahren bedurfen gewisser Seriengrossen um die Kosten fur die Formen auf die Stuckkosten umzulegen Beim SLM Verfahren entfallen diese Einschrankungen Es wird moglich Muster oder Prototypen zeitnah herzustellen Zudem konnen sehr individuelle Teile als Unikate entstehen wie sie beim Zahnersatz bei Implantaten Uhrenelementen oder Schmuck erforderlich sind Besonderheit ist die zeitparallele Fertigung von Unikaten in einem Bauraum z B Dentalimplantate Huftimplantate oder Wirbelsaulenstutzelemente Es wird moglich speziell auf den Patienten individualisierte Bauteile zu konstruieren und zu fertigen Selektive Dichten Bei einem klassischen Fras oder Drehteil ist die Dichte des Teils immer gleich verteilt Bei einem lasergeschmolzenen Teil kann man diese variieren Bestimmte Bereiche eines Bauteils konnen rigide sein und andere elastisch ausgelegt werden z B mit einer Wabenstruktur bionische Prinzipien Bauteilanforderungen konnen viel kreativer gestaltet werden im Vergleich zu konventionellen Techniken Funktionsintegration Je hoher die Komplexitat desto besser kommt ein generatives Verfahren zum Zuge Funktionen konnen integriert werden z B mit Temperierkanalen oder Luftinjektoren oder das Teil erhalt eine Scharnierfunktion oder sensorische Instrumente werden in das Bauteil integriert Die somit wertgesteigerten Bauteile sind leistungsfahiger als konventionell hergestellte Bauteile Grune Technologie Umweltaspekte wie geringer Energieaufwand beim Betrieb einer Anlage und Ressourcenschonung es wird genau das eingesetzte Material verbraucht kein Abfall sind elementare Merkmale des Laserschmelzens Es gibt auch keine Ol oder Kuhlmittel Emissionen wie heute noch oft in der Maschinentechnik zu finden Selbst die Restwarme kann genutzt werden Ein 1 000 W Laser gibt ca 4 kW Warme ab die in einem Wasser Kuhlkreislauf durch die Haustechnik genutzt werden konnen Konventionelle Techniken werden zunehmend mit ihren Nachteilen unter Nachhaltigkeitsaspekten betrachtet Laserschmelzen bedeutet auch unter den vier besonderen Aspekten Leichtbau werkzeuglose Fertigung dezentrale Fertigung und on demand einen Beitrag zur Reduktion von CO Emissionen Es ist die Kombination von Ressourcenschonung verbunden mit hoher Wirtschaftlichkeit und Qualitatsanspruchen Die generative Fertigung kann diese Trends bedienen Production on demand Ein wesentlicher Aspekt des Laserschmelzens ist die zeitliche und lokale Produktion bei Bedarf Das kann die Logistikkonzepte z B bei Flugzeugherstellern sehr stark verandern weil Ersatzteile nicht mehr bevorratet werden mussen sondern bei Bedarf ausgedruckt werden Zudem kann man bei einer Production on demand die Revisionszeiten von Flugzeugen reduzieren verringerter Materialeinsatz Besonders gegenuber dem Frasen aus einem Vollteil fallt der geringere Materialeinsatz ins Auge Man geht davon aus dass durchschnittlich das reine Bauteilgewicht und rund 10 Material fur die Support Strukturen dies sind die zum Aufbau notwendigen Stutzstrukturen verbraucht wird Werkstoffe BearbeitenDie fur das selektive Laserschmelzen verwendeten Werkstoffe sind in der Regel Serienwerkstoffe die keine Bindemittel enthalten Die Maschinenhersteller und ihre Materialpartner zertifizieren die Serienwerkstoffe fur die Anwender z B fur dentaltechnische oder medizinische Anwendungen gem EU Richtlinien und Produkthaftungsgesetz Serienwerkstoffe werden durch Verdusen in Pulverform umgewandelt Dabei entstehen spharische Partikel Der minimale und maximale Durchmesser der verwendeten Partikel wird in Abhangigkeit von der verwendeten Schichtdicke sowie der zu erzielenden Bauteilqualitat ausgewahlt Alle Pulverwerkstoffe sind zu 100 fur nachfolgende Bauprozesse wieder verwendbar Eine Auffrischung mit nicht verwendetem Material ist nicht notwendig Der Materialverbrauch wird i d R wie folgt kalkuliert Bauteilgewicht 10 der 10 Aufschlag wird durch die Stutzkonstruktion Support Struktur verursacht die nach dem Fertigungsprozess vom Bauteil getrennt werden muss Verwendete Werkstoffe sind zum Beispiel Edelstahl Werkzeugstahl Aluminium und Aluminiumlegierungen Titan und Titanlegierungen Chrom Cobalt Molybdan Legierungen Bronzelegierungen Edelmetalllegierungen Nickelbasislegierungen Kupfer und Kupferlegierungen KeramikAnwendungen und Branchen BearbeitenDas Verfahren kann in zahlreichen Branchen eingesetzt werden Dazu zahlen Luft und Raumfahrt Automobiltechnik Dentaltechnik Zahnersatz Implantate Medizintechnik Medizinische Gerate Endoskopie Implantate oder Orthopadie Maschinenbau Werkzeugmaschinenbau z B Fein und Prazisionsbohrer Werkzeugbau z B Einsatze zur konturnahen Temperierung Lifestyle Produkte wie Schmuck Mode Schuhe oder Uhren Prototypenbau wie Rapid Prototyping bionisch ausgelegte Leichtbauteile technische Bauteile die z B die Knochenstruktur nachahmen Kleinserien fur den Rennsport Automobilsport und Motorradsport technische Bauteile aus MetallAufbaugeschwindigkeiten und Losgrossenbetrachtung BearbeitenDie Faktoren Aufbaugeschwindigkeiten und Losgrossen definieren die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit einer generativen Fertigung Diese Faktoren verandern sich kontinuierlich durch den Stand der Technik Bei Losgrossen gelten folgende Faustregeln Stuckzahl 1 bis ca 1000 pro Jahr Die additiven Fertigungsverfahren sind typischerweise die wirtschaftlichste Option Stuckzahl 1000 bis 100 000 pro Jahr Die Herstellung in einer Form aus Metall sollte durch additive Verfahren als eine mogliche Variante bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung berucksichtigt werden Stuckzahl grosser 100 000 pro Jahr Eine besonders langlebige aus Vollmaterial klassisch gefertigte Geometrie ist voraussichtlich am sinnvollsten Die Aufbaugeschwindigkeiten z B des selektiven Laserschmelzens entwickeln sich stetig nach oben Grunde sind Hohere Laserleistungen wie z B 1 kW Laserquellen oder den Einsatz multipler Laserquellen Stichwort Multilaser Technologie Zur Veranschaulichung ein Vergleich der Aufbauraten so wie sie die Unternehmensberatung Roland Berger 2013 erwartete 12 Jahr 2013 10 cm h Jahr 2018 40 cm h Jahr 2023 80 cm hSiehe auch BearbeitenRapid Prototyping Rapid Manufacturing 3D DruckLiteratur BearbeitenWilhelm Meiners Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe Berichte aus der Lasertechnik Shaker Aachen 1999 ISBN 3 8265 6571 1 Zugleich Dissertation an der RWTH Aachen 1999 Christoph Over Generative Fertigung von Bauteilen aus Werkzeugstahl X38CrMoV5 1 und Titan TiAl6V4 mit Selective Laser Melting Berichte aus der Lasertechnik Shaker Aachen 2003 ISBN 978 3 8322 2245 1 Zugleich Dissertation an der RWTH Aachen 2003 Einzelnachweise Bearbeiten SLM ist gem Markenregistereintrag 30094322 Deutsches Patent und Markenamt eine Wortmarke der SLM Solutions Group In der Fachliteratur wird SLM als Abkurzung fur das Verfahren des selektiven Laserschmelzens verwendet siehe zum Beispiel Joachim Tinschert Gerd Natt Oxidkeramiken und CAD CAM Technologien Deutscher Arzteverlag 2007 ISBN 978 3 7691 3342 4 S 39 Andrzej Grzesiak et al Generative Fertigung Mit Kunststoffen Springer Verlag 2013 ISBN 978 3 642 24325 7 S 31 VDI 3405 Additive Fertigungsverfahren Grundlagen Begriffe Verfahrensbeschreibungen Dezember 2014 vdi de abgerufen am 21 April 2022 DIN EN ISO ASTM 52900 2022 03 Additive Fertigung Grundlagen Terminologie ISO ASTM 52900 2021 Deutsche Fassung EN ISO ASTM 52900 2021 Beuth Verlag GmbH doi 10 31030 3290011 beuth de abgerufen am 21 April 2022 Jean Pierre Kruth u a Binding Mechanisms in Selective Laser Sintering and Selective Laser Melting In Rapid prototyping journal 11 Nr 1 2005 ISSN 1355 2546 S 26 36 Wilhelm Meiners Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe Dissertation RWTH Aachen 1999 DMG Mori Unternehmenshomepage Additive Manufacturing abgerufen am 15 Februar 2022 Laser Powder Bed Fusion Fraunhofer ILT Abgerufen am 27 Dezember 2018 Homepage 3D Systems ProX DMP 320 abgerufen am 21 Februar 2018 14 00 17 00 ISO ASTM 52911 1 2019 Abgerufen am 6 Oktober 2020 englisch VDI 3405 Blatt 2 4 Additive Fertigungsverfahren Laser Strahlschmelzen metallischer Bauteile Materialkenndatenblatt Titanlegierung Ti 6Al 4V Grade 5 vdi de abgerufen am 6 Oktober 2020 Special Tooling 1 02 Werkzeugkerne mit Laserenergie generieren 2002 S 12 15 Additive manufacturing A game changer for the manufacturing industry Vortrag Munchen November 2013 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Selektives Laserschmelzen amp oldid 237108592