Additive Fertigung oder 3D-Druck ist der Prozess der Umwandlung digitaler Designs in dreidimensionale Objekte. Es ist eine bequeme und kostengünstige Möglichkeit, Prototypen sowie fertige Produkte herzustellen, was es bei Unternehmen, Hobbyisten und Erfindern beliebt macht.
Eine der Technologien, die von heutigen 3D-Druckern verwendet werden, heißt selektives Lasersintern (SLS). Beim SLS werden winzige Partikel aus Kunststoff, Keramik oder Glas durch Wärme eines Hochleistungslasers zu einem festen, dreidimensionalen Objekt verschmolzen.
Das SLS—Verfahren wurde in den 1980er Jahren von Carl Deckard — damals Student an der University of Texas – und seinem Maschinenbau-Professor Joe Beaman entwickelt und patentiert.
Deckard und Beaman waren 1989 an der Gründung eines der ersten 3D-Druck-Startups, Desk Top Manufacturing (DTM) Corp., beteiligt. Im Jahr 2001 wurde DTM an 3D Systems verkauft, ein Unternehmen, das zuvor eine eigene, wenn auch sehr unterschiedliche Methode des 3D-Drucks entwickelt hatte, die als Stereolithographie bekannt ist.
Funktionsweise: SLS
Während Deckard und Beaman den Prozess des selektiven Lasersinterns patentierten, waren sie bei weitem nicht die ersten, die das Sintern — den Prozess der Erzeugung von Objekten aus Pulvern mittels Atomdiffusion — zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts verwendeten. Sintern wird seit Tausenden von Jahren verwendet, um Alltagsgegenstände wie Ziegel, Porzellan und Schmuck herzustellen.
Wie alle Methoden des 3D-Drucks beginnt ein mit einer SLS-Maschine gedrucktes Objekt als CAD-Datei (Computer Aided Design). CAD-Dateien werden konvertiert .STL-Format, das von einem 3D-Druckgerät verstanden werden kann.
Mit SLS bedruckte Objekte werden aus pulverförmigen Materialien hergestellt, am häufigsten aus Kunststoffen wie Nylon, die in einer dünnen Schicht auf der Oberseite der Bauplattform in einer SLS-Maschine verteilt sind.
Ein Laser, der von einem Computer gesteuert wird, der ihm sagt, welches Objekt „gedruckt“ werden soll, pulsiert auf der Plattform nach unten und zeichnet einen Querschnitt des Objekts auf das Pulver.
Der Laser erhitzt das Pulver entweder knapp unter seinen Siedepunkt (Sintern) oder über seinen Siedepunkt (Schmelzen), wodurch die Partikel im Pulver zu einer festen Form zusammengeschmolzen werden.
Sobald die Anfangsschicht gebildet ist, fällt die Plattform der SLS—Maschine — normalerweise um weniger als 0,1 mm – und legt eine neue Pulverschicht frei, die der Laser verfolgen und miteinander verschmelzen kann. Dieser Vorgang wird immer wieder fortgesetzt, bis das gesamte Objekt gedruckt wurde.
Wenn das Objekt vollständig geformt ist, wird es in der Maschine abkühlen gelassen, bevor es entfernt wird.
Im Gegensatz zu anderen Methoden des 3D-Drucks benötigt SLS sehr wenig zusätzliche Werkzeuge, sobald ein Objekt gedruckt ist, was bedeutet, dass Objekte normalerweise nicht geschliffen oder anderweitig verändert werden müssen, sobald sie aus der SLS-Maschine kommen.
SLS erfordert keine zusätzlichen Halterungen, um ein Objekt während des Druckvorgangs zusammenzuhalten. Solche Träger sind häufig bei anderen 3D-Druckverfahren wie Stereolithographie oder Fused Deposition Modeling erforderlich, was diese Verfahren zeitaufwändiger macht als SLS.
Was gemacht wird
SLS-Maschinen können Objekte in einer Vielzahl von Materialien wie Kunststoffen, Glas, Keramik und sogar Metall drucken (ein verwandter Prozess, der als direktes Metall-Lasersintern bekannt ist). Dies macht es zu einem beliebten Prozess für die Erstellung von Prototypen sowie Endprodukten.
SLS hat sich als besonders nützlich für Branchen erwiesen, die nur eine kleine Menge von Objekten benötigen, die aus hochwertigen Materialien gedruckt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Luft- und Raumfahrtindustrie, in der mit SLS Prototypen für Flugzeugteile gebaut werden.
Da Flugzeuge in kleinen Stückzahlen gebaut werden und viele Jahre in Betrieb bleiben, ist es für Unternehmen nicht kostengünstig, physische Formen für Flugzeugteile herzustellen. Diese Formen wären zu teuer in der Herstellung und müssten dann lange gelagert werden, ohne beschädigt oder korrodiert zu werden.
Mit SLS können Unternehmen Prototypen erstellen, die digital als .STL-Dateien, die sie nach Bedarf neu gestalten oder neu drucken können.
Da SLS-Maschinen in einer Reihe hochwertiger Materialien drucken können, von flexiblem Kunststoff bis hin zu Keramik in Lebensmittelqualität, ist SLS auch eine beliebte Methode für den 3D-Druck von kundenspezifischen Produkten wie Hörgeräten, Zahnhalterungen und Prothesen.
Und da Objekte, die mit SLS gedruckt werden, nicht auf Formen angewiesen sind oder zusätzliche Werkzeuge erfordern, ist diese Herstellungsmethode auch für alle nützlich, die ein hochkomplexes oder besonders empfindliches Objekt drucken möchten.
Unternehmen, die SLS verwenden
3D Systems Inc. ist das Unternehmen, das in den USA am häufigsten mit SLS-Druck in Verbindung gebracht wird. Das Unternehmen druckt Teile auf Bestellung für Kunden, verkauft aber auch seine SLS-Maschinen für den Einsatz in Wirtschaft und Fertigung.
Es gibt auch viele Unternehmen in den USA, die SLS-Maschinen einsetzen, um ihren Kunden hochwertige Prototypen und Fertigteile zu liefern.
SLS zu Hause
Während es viele Desktop-3D-Drucker auf dem Markt gibt, verwenden die meisten dieser Drucker eine Druckmethode wie Fused Deposition Modeling (FDM), nicht SLS.
Da SLS den Einsatz von Hochleistungslasern erfordert, ist es für den Einsatz zu Hause oft teurer (und möglicherweise gefährlicher). Es gibt jedoch mehrere unerschrockene Erfinder, die an ihren eigenen Versionen von Desktop-SLS-Druckern arbeiten.
Andreas Bastian, Ingenieurstudent am Swarthmore College, hat kürzlich einen kostengünstigen SLS-Drucker entwickelt, der Objekte aus Wachs und Kohlenstoff erzeugt.
Und der Focus SLS-Drucker ist eine weitere „hausgemachte“ SLS-Maschine, die diese Technologie in die Häuser der Verbraucher bringen könnte. Die Anleitung zum Erstellen Ihres eigenen Focus SLS-Druckers finden Sie auf Thingiverse.
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