Verfestigung durch Selektives Sintern bzw. Schmelzen

Verfahrensprinzip

Durch selektives Sintern bzw. Schmelzen wird pulverförmiges Ausgangsmaterial schichtweise zu Bauteilen verfestigt. Das Pulver wird gleichmäßig in einer dünnen Schicht durch einen Auftragsmechanismus (Rakel, Rolle o.ä.) auf die Bauplattform aufgebracht. Die zur Verfügung stehenden Pulvermaterialien erstecken sich über Kunststoffe und verschiedene Metall-Legierungen bis hin zu Keramiken. Die selektive, d.h. lokal determinierte, Verfestigung des losen Pulvers erfolgt durch die gezielte Einbringung von Strahlenergie (vgl. Abbildund). Dadurch kommt es je nach Anlagentechnologie und Pulvermaterial zu einem mehr oder weniger starken Aneinanderhaften der einzelnen Pulverpartikel durch Sinter- oder Schmelzmechanismen ;innerhalb einer Schicht. Auch die darunterliegende Schicht verbindet sich auf diese Weise an den beabsichtigten Stellen mit der neu-aufgebrachten Pulverschicht. In manchen Fällen (z.B. Elektronenstrahlschmelzen) wird das Pulver sogar völlig aufgeschmolzen. Der übergang zwischen Sintern und Schmelzen ist hier nicht eindeutig zu ziehen.

Die Energieeinbringung in die Pulverschicht erfolgt nicht ausschließlich durch den Strahl, sondern zusätzlich durch Heizelemente, die das Pulver auf der Bauplattform und auch im Vorratsbehältern vorwärmen. Dies vermindert die notwendige Strahlenergie und wirkt sich so positiv auf den Verzug und induzierte Eigenspannungen des Bauteils aus. Durch Absenken der Bauplattform um eine Schichtdicke wird anschließend Platz geschaffen für eine neue Pulverschicht. Je nach Anlagentechnologie und Partikeldurchmesser liegt die Schichtdicke bei etwa 0,08 mm bis 0,2 mm. In der Regel sind bei pulververfestigenden Verfahren keine Stützstrukturen zur Herstellung von überhängen nötig, da das Pulverbett genügend Halt bietet. Jedoch besteht ein gewisses Risiko, dass der Auftrag der nächsten Pulverschicht den schwimmenden, schon verfestigten Teil des Pulvers verschiebt und damit die Maßhaltigeit reduziert bzw. Fehler im Bauprozess entstehen.

Verfahrenstypen

Innerhalb des Bereichs "Selektives Sintern" existieren verschiedenen Verfahrenstypen, welche sich vor allem durch die Art der Energieeinbringung und den Grad der Verfestigung im generativen Prozessschritt unterscheiden. Generell lassen sich so drei Verfahrensgruppen unterscheiden: Direktes Metall-Lasersintern (DLMS) bzw. -schmelzen, Indirektes Metall- Laser- sintern (IMLS) und Elektronenstrahlsintern (EBS) bzw. -schmelzen (EBM).

Das Verfahren beim Direkten Lasersintern (SLS oder DLMS) bzw. -schmelzen wird wie oben beschrieben durchgeführt. Als Energiequelle wird ein feststehender Laser mit Leistungen im Bereich von 100 Watt bis 300 Watt verwendet, dessen Strahl durch bewegliche Abblenkspiegel entlang des beabsichtigten Belichtungsweges (Scanstrategie) geführt wird. Je nach Laserleistung und Pulverart wird das Pulver dadurch völlig aufgeschmolzen oder "nur" versintert, wovon letzlich die Festigkeit der Bauteile abhängt. Die erreichbare Oberflächen- qualität wird jedoch durch angesinterte Pulverpartikel vermindert, was zu aufwendigen Nacharbeiten (Reinigungsverfahren bei Kunststoffen und Strahlverfahren bei Metallbauteilen) führt.

Beim indirekten Metall-Lasersintern (IMLS) erfolgt die Herstellung eines Bauteiles in zwei getrennten Prozessschritten (siehe Bild unten), einem Lasersinterprozess und einem nachgeschalteten Ofenprozess. Beide Prozessse finden unter Inertgasatmosphäre, und bei Umgebungsdruck statt. Das Pulver besteht hierbei aus zwei Komponenten: Einem Metallpulver und einem Kunststoffpolymer, das entweder die Metallpulverteilchen in einem Mantel umgibt oder als zusätzliche Pulverteilchen in das Metallpulver gemischt ist. Zunächst wird, wie oben beschrieben, der generative Prozessschritt durchgeführt, wobei hier mit kleinen Laserleistungen (20 Watt bis 50 Watt) das Pulvergemisch durch Aufschmelzen der niedrigschmelzenden Polymerteilchen lokal verfestigt wird. Auf diese Art und Weise werden die Metallpartikel miteinander verklebt und es entsteht ein sog. Grünling mit eingeschränkter Festigkeit. Im zweiten, nachgeschalteten Prozess, dem sogenannten Ofenprozess, wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, welche zunächst zum Austreiben den Polymerbinders führt. An dieser Stelle wird der Zusammenhalt des Bauteils lediglich durch Adhäsionskräfte zwischen den Metallpartikeln erzeugt. Durch längere Einwirkung erhöhter Temperaturen kommt es zwischen den Metallpulverpartikeln zu Sintervorgängen, wobei sich ein poröses Sinterskelett ausbildet. In der letzten Phase des Prozesses wird durch die anhaltend hohe Temperatur Bronze bauteilnah zum Schmelzen gebracht, welche nun durch Kapillarkräfte in das Bauteil infiltriert wird. Nach dem Abkülen liegt ein dichtes Bauteil vor, das aus Stahl und Bronze besteht.

Durch Anwendung einer nachgeschalteten Wärmebehandlung wird der durch den Laserstrahl in das Pulver einzubringende Energiebetrag veringert, da nicht Metall- sondern niedrig- schmelzende Kunststoffpartikel aufgeschmolzen werden müssen. Dies Verringert die hierbei eingebrachten Eigenspannungen im Bauteil enorm und wirkt sich so positiv auf die Masshaltigkeit und das Verzugsverhalten der Bauteile aus. Im Ofenprozess kommt es jedoch zu Schrumpfungen und gravitationsbedingten Verzügen am Bauteil, welche man durch Vorska- lierung der Bauteilgeometrie zu beherrschen versucht.

Bei Metall verarbeitenden Sinter- bzw Schmelzverfahren stösst der Laser als Energiequelle oft an seine Grenzen bzgl. möglicher Leistung und Ablenkgeschwindigkeit des Strahls. Dies führte in der Prozessentwicklung zur Verwendung des Elektronenstrahls zum Versintern oder Schmelzen von Metallpulver beim Elektronenstrahlsintern (EBS) bzw. -schmelzen (EBM). Der grundsätzliche Prozessablauf unterscheidet sich nicht vom Direktenmetalllasersintern, jedoch wird bei diesem Prozess die Bearbeitungskammer evakuiert, an Stelle der Inertgas- atmosphäre. Den grundsätzlichen Aufbau einer derartigen Anlage zeigt das folgende Bild:

Durch die hohen erreichbaren Leistungen des Elektronenstrahls (bis zu 10 kW) und der nahezu trägheitsfreien und somit hochflexiblen Strahlablenkung wird es mit Hilfe der Elektronenstrahltechnologie möglich Nachteile und Einschränkungen laserbasierter Verfahren auszugleichen. So erweitert sich die verarbeitbare Materialpalette um hochschmelzende sowie reaktive Metalle und es ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Belichtung des Pulvers (quasiparallele Belichtung, komplexe Belichtungsstrategien), wodurch letzlich die Baugeschwindigkeit erhöht und die eingebrachten Eigenspannungen im Bauteil vermindert werden können.

Eine Variation des grundlegenden Prozessprinzips stellt die Verwendung eines Drahtes als Ausgangsmaterial dar. Hierbei wird der Draht kontinuierlich auf die Bauplattform aufgebracht (Abrollen von einer Zuführspule) und von einem Elektronenstrahlwerkzeug aufgeschmolzen. Durch Bewegung der Bauplattform und der Drahtzuführung in Verbindung mit dem abgelenkten Elektronenstrahl wird ein selektiver Materialauftrag an gewünschten Stellen möglich.

Anwendung des Verfahrens

Verfahren zum selektiven Sintern von Bauteilen finden zur Herstellung von Kunststoff-, Keramik- und Metallbauteilen Anwendung. Aufgrund der Bandbreite an verarbeitbaren Materialien werden derartige Verfahren in allen Bereichen generativer Fertigung eingesetzt. So lassen sich sowohl Modelle (RP), Werkzeuge (RT) als auch kundenrelevante Bauteile (RM) erstellen. Vor allem in den letzten beiden Anwendungsfeldern haben Verfahren aus dem Bereich selektives Sintern großes Potenzial, da sie in der Lage sind Metallbauteile mit nahezu den mechanischen Eigenschaften eines subtraktiv hergestellten Bauteils zu erzeugen.