3D-Druck in Metall, Laserschmelzen oder einfach SLM wie es im Fachjargon heißt, ist derzeit in aller Munde. Doch was genau lässt sich damit anfangen? Welche Teile sind geeignet, welche nicht? Eine Menge Halbwissen und noch mehr falsche Informationen und Meinungen sind zuhauf im Umlauf.

Daher unser Beitrag zur Aufklärung:

Wie lautet die korrekte Bezeichnung von 3D-Druck in Metall?
Wir bei VMR produzieren additive Metallteile mit selektivem Laserschmelzen oder einfach kurz SLM.
SLM ist die Abkürzung vom englischen Selective Laser Melting und bezieht sich ausschließlich auf Metallteile. Die Bezeichnung “Metall-SLS“ wäre also falsch, weil sich das selektive Lasersintern (SLS) wiederum ausschließlich auf Kunststoffteile bezieht. Neben SLM sind auch weitere, häufig marketingbeeinflusste Begrifflichkeiten in Umlauf. Verschiedene Anlagenhersteller verwenden unterschiedliche Bezeichnungen, die mal DMLS, Lasergenerieren oder Laser-Cusing getauft werden. Gemeint ist hier aber fast immer SLM. In naher Zukunft werden noch weitere neue Metalldruck-Verfahren mit neuen Begriffen auf den Markt kommen, was die Übersichtlichkeit nicht gerade fördert. Wer auf Nummer sicher gehen will, sagt deshalb einfach SLM, 3D-Druck Metall oder Metalldruck.

Wie läuft der SLM-Prozess ab?
3D-Druck in Metall ist kein 3D-Druck im eigentlichen Sinn. Stark vereinfacht gesagt, handelt es sich um ein Schweißverfahren mit Wärmequelle, Schutzgasatmosphäre und Grund- bzw. Zusatzmaterial. Wer in seinem Garten eine alte Schubkarre schweißt, macht also prinzipiell nichts anderes. Nur dass bei SLM keine Elektrode abgeschmolzen wird, sondern ein Laser als Wärmequelle dient, die das Metall punktgenau verschweißt. Das Material liegt als feinpudriges Metallpulver vor, das auf der Bauplattform, der sogenannten Substratplatte in dünnen Schichten von 0,02-0,1 mm ausgebracht wird.
Gefüttert wird die SLM-Anlage mit 3D-Daten, die in einzelne Schichtinformationen “gesliced“, also aufgeschnitten sind. Die jeweilige Schichtinformation brennt der Laser in die ausgebrachte Pulverschicht und verschweißt sie direkt. Danach wird die Platte um die programmierte Schichthöhe nach unten gefahren, so dass die nächste Pulverlage ausgebracht und verschweißt werden kann. Der Ablauf wiederholt sich so oft, bis das Bauteil komplettiert ist. Für hohe Bauteile können oft mehr als 10.000 Schichten notwendig werden.

Welche Werkstoffe werden bei VMR im SLM-Verfahren verarbeitet?
Wir bei VMR konzentrieren uns aktuell auf folgende Legierungen:

  • Titan Ti6Al4V (Grade 23)
  • Aluminium AlSi10Mg
  • Edelstahl 1.4404
  • Werkzeugstahl 1.2709

Der Werkzeugstahl kann über eine Warmauslagerungen auf ca. 52-54 HRC durchgehärtet werden. Für den Edelstahl ist eine Oberflächenhärtung möglich und beide Materialien können mittels modernen Plasmaverfahren zusätzliche Hartschichten erhalten. Weitere Oberflächenveredelungen, wie beispielsweise Eloxieren von Aluminium, können ebenfalls angeboten werden.

Welche Bauteilgrößen und Stückzahlen können bei VMR umgesetzt werden?
Derzeit stehen unserer Produktion fünf SLM-Anlagen zur Verfügung. Die Bauraumgrößen betragen 250 x 250 x 280 Millimeter für Stahl und Edelstahl, sowie 280 x 280 x 360 Millimeter für Aluminium und Titan.
Es können daher Einzelteile bis zu dieser Größe oder mehrere Teile bis zur Vollbelegung der Plattform gleichzeitig gebaut werden. Das können unter Umständen mehrere hundert Kleinteile sein. Besonders wirtschaftlich ist die SLM-Fertigung also für Teile die in mittleren bis größeren Stückzahlen miteinander gebaut werden. Bei großen Teilen ist die Wirtschaftlichkeit gegeben, wenn sie nur wenige massive Bereiche aufweisen. Im Zweifelsfall fragen Sie uns einfach. Wir optimieren Ihre Teile gegebenenfalls so, dass sie sich für eine additive Fertigung optimal eignen.

Wie sind die Bauteileigenschaften von SLM-Teilen?
Nur die aktuellsten Anlagen auf dem Markt sind in der Lage Teile mit einer sehr hohen relativen Dichte herzustellen. Bei VMR liegt diese zwischen 99 und 99,8%. Die Teile weisen nahezu dieselben Werte wie ein entsprechendes Halbzeug auf. Auch in puncto Zugfestigkeit müssen sich additive Teile nicht hinter ihren konventionell hergestellten Verwandten verstecken. Sie weisen in der Regel gleichwertige, wenn nicht sogar höhere Festigkeitswerte auf, als das äquivalente Halbzeugmaterial.
Direkt nach dem Prozess verfügen SLM-Teile über die prozesstypische, leicht raue Oberfläche mit Werten um Rz 40. Als besonderes Merkmal weisen von VMR produzierte SLM-Teile deutlich bessere Oberflächenwerte auf. Unser Standard liegt bei rund Rz 15-25 und auf Wunsch sind wir sogar in der Lage additive Teile mit Hochglanzoberflächen zu liefern.

Welche Toleranzen können mit SLM erreicht werden?
Die erzielbaren Toleranzen an additiven Bauteilen sind unterschiedlich und hängen von deren Größe, dem Material, der Baulage und von der Art der Teile ab. Bei einem Zahnrad mit Modul 0,8 haben wir im Versuch schon Toleranzen von weniger als zwei hundertstel Millimeter erreicht. Bei Auftragsarbeiten geben wir eine allgemeine Toleranz von ± 0,1 - ± 0,2 mm an. Größere, massive Teile weisen größere Toleranzen, kleine, filigrane Bauteile kleinere Toleranzen auf. Auch Verzug kann auftreten, beispielsweise bei dünnen, flächigen Teilen aus Edelstahl.
Wenn engere Toleranzen eingehalten werden müssen, können diese über eine nachträgliche Zerspanung (Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen) erreicht werden. Passungen und Gewinde müssen ebenfalls nachträglich spanend in die Teile eingebracht werden. Die zur Zerspanung vorgesehenen Bereiche müssen vor dem additiven Aufbau mit einem Aufmaß versehen werden. Hier unterstützen wir unsere Kunden im Auftragsfall, damit genau die Toleranzen und Eigenschaften abgebildet werden, die sie sich vorstellen.

Welche Besonderheiten zeichnen SLM-Teile aus?
Da gibt es einige Merkmale, die SLM-Teile deutlich von herkömmlich herstellten Bauteilen unterscheiden. Dabei meinen wir nicht die additive Herstellweise an sich, sondern die mit der additiven Herstellung verbundenen Möglichkeiten:

  • Die Umsetzung von Bionik- und Leichtbauteilen:
    Bionik bezeichnet die Herstellung von Eigenschaften und Strukturen, nach dem Vorbild der Natur. Bereits ein Einzeller weist Strukuren auf, die ihn extreme Belastungen aushalten lassen. Oder denken Sie an Spinnenseide oder den Flügel einer Libelle, die ihren Tieren Möglichkeiten verschaffen, die der Menschheit bislang verwehrt blieb.
    Übertragen auf die Technik, stellt die Bionik in Verbindung mit additiver Fertigung die Möglichkeit dar, völlig neue Produkte hervorzubringen. Ein Passagierflugzeug das auf diese Weise konstruiert und optimiert ist, kann um viele Tonnen Eigengewicht erleichtert werden. In der Folge können mehr Passagiere und Gepäck transportiert werden, bei gleichzeitig deutlich vermindertem Treibstoffverbrauch.
  • Topologieoptimierte Konstruktion und additivgerechte Fertigung:
    Vereinfacht gesagt, schafft eine Topologieoptimierung einen Ausgleich zwischen Spannung und Entlastung innerhalb eines Bauteils bei gleichzeitiger Optimierung von Steifigkeit und Gewicht. Das Bauteil wird ausgelegt auf die zu erwartenden Kräfte und Belastungen, die auf das Bauteil einwirken. Der Computer simuliert dabei die Kraftrichtungen und -Größen, die auf dem Bauteil lasten und ermittelt wo Kräfte aufgenommen werden und wo keine Kräfte auftreten. Dort wo keine Kräfte auftreten, muss das Bauteil auch kein Material aufweisen. Dort wo Kräfte fliessen, wird gerade soviel Material eingesetzt, um das Bauteil nicht versagen zu lassen. Im Ergebnis steht ein Teil, das in seiner Funktion, Belastbarkeit und Gewicht optimal auf die Verwendung hin konstruiert ist. Die perfekte Umsetzung erfolgt dann mittels additiver Herstellung, weil damit Strukturen umgesetzt werden können, die bis dato mit herkömmlichen Verfahren nicht herstellbar waren.
  • “Einteilige Baugruppen“ und Funktionsintegration:
    Manchmal gibt es Bauteile, die mit konventionellen Mitteln nicht “am Stück“ gefertigt werden können. Deshalb werden sie in mehrere Einzelteile zerlegt und nach deren Herstellung anschließend wieder zusammengefügt. Das kann manchmal ziemlich nervig, aufwändig und teuer sein. Mit additiver Fertigung könnten sie wahrscheinlich völlig problemlos am Stück hergestellt werden. Sogar Bauteile mit Gelenken und Scharnieren sind einteilig additiv herstellbar. Können Bauteile dann noch zusätzliche Funktionen mit übernehmen, wie Schmier- und Kühlungsbohrungen, Gewichtsoptimierung, Dynamikerhöhung, etc. spricht man von Funktionsintegration. Insgesamt können neue, zusätzliche Eigenschaften abgebildet werden, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erzielbar sind.

Wie sieht es bei SLM mit Lieferzeit und Kosten aus?
Ein weiteres Merkmal, das die additive Fertigung auszeichnet, ist die sehr kurze Vorlaufzeit bis zur Produktion. Eigentlich benötigt man nicht viel mehr als einen 3D-Datensatz zur Umsetzung. Die 3D-Daten werden dann einfach in die Druckersteuerung geladen und dann kann´s losgehen. Programmieren im Sinne von CNC-Maschinen oder von CAM-Software entfallen. Dadurch können gegenüber klassischen Fertigungsverfahren mehrere Tage eingespart werden. Bei VMR übliche Lieferzeiten sind je nach Menge und Material, rund 5-15 Arbeitstage. Oft sind wir aber auch schneller. Wo Aufwand gespart werden kann, ist gleichzeitig auch immer ein günstigerer Preis realisierbar. Trifft das im Besonderen auf kleine Teile zu, können Preislagen erzielt werden die teils deutlich unterhalb anderer, etablierter Verfahren liegen. Weisen die Bauteile aber sehr enge Toleranzen auf und eine Gewichtsoptimierung oder Funktionsintegration stehen aussen vor, dann sind sie meist besser und kostengünstiger mit den üblichen Zerspanungsverfahren zu produzieren.

Für welche Anwendungen und Branchen sind SLM -Teile geeignet?
Gleich vorneweg: fast alle produzierenden Branchen und Anwendungen kommen für die Anwendung additiver Bauteile in Frage. Und wenn ein Kunde einmal erfolgreich ein Projekt damit umgesetzt hat, dann wird er immer wieder auf die additive Fertigung setzen.

Und was gibt es noch dazu zu sagen?
Seit einigen Jahren macht der Begriff “integrative Produktentwicklung“ die Runde durch die Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen. Was beinahe ein alter Hut war, bekommt durch die additive Fertigung eine neue und deutlich gewichtigere Bedeutung.
Integrative Produktentwicklung bezieht mit sämtlichen, verfügbaren Ressourcen von der Konstruktion, über Material und Herstellverfahren, bis hin zum Produktlebenszyklus, alle relevanten Faktoren in die Entwicklung mit ein. Werden nun Bauteile neu entwickelt und konsequent auf eine funktions- und gewichtsoptimierte Auslegung hin konstruiert, führt definitiv kein Weg mehr an der additiven Fertigung vorbei. Es wird generell das Verfahren gewählt, das die besten Eigenschaften für ein optimales Endprodukt bietet.
Um den Weg dorthin zu bereiten und zu fördern, schreiben wir das Thema integrative Produktion auf unsere Fahnen und unterstützen unsere Kunden aktiv mit all unserem Können.

Haben Sie weitere Fragen?
Dann stehen Ihnen unsere Mitarbeiter gerne persönlich Rede und Antwort.


VMR bleibt Vorreiter beim SLM Selective Laser Melting

VMR hat schon früh auf die Herstellung beliebiger Metallteile direkt aus digitalen Daten gesetzt. Als erstes Unternehmen im Schwarzwald führte VMR bereits 2006 das SLM-Verfahren ein.

Mittels eines Laserstrahls wird unter Schutzgasatmosphäre mikrofeines Metallpulver zu soliden Metallteilen verschweißt. Selektives Laserschmelzen, oder einfach SLM, nennt sich das Verfahren.

Nahezu 100%-ige Metalldichte

Die Besonderheit bei dem SLM-Verfahren liegt in der extrem hohen Dichte, mit der die Metallteile erzeugt werden. Diese liegt bei rund 99,8% und bietet damit dieselben Eigenschaften, wie man sie von konventionell hergestellten Metallteilen kennt.

Folgende Legierungen sind sofort verfügbar:

  • Aluminium AlSi10Mg
  • Werkzeugstahl 1.2709 – härtbar bis 52 HRC
  • Edelstahl 1.4404
  • Titan TiAl6V4

SLM-Teile bis zu einer Größe von 280 x 280mm inklusive kompletter Nachbearbeitung

Bei VMR erhalten Sie Ihre SLM-Teile auf Wunsch inklusive Nachbearbeitung und Oberflächenbehandlung.

Unbegrenzte Möglichkeiten:

Das SLM-Verfahren bietet bisher nie dagewesene Möglichkeiten der Herstellung. Rapid Manufacturing ist mit SLM keine Zukunftsmusik mehr, sondern alltägliche Praxis. So können auch bionische Strukturen und Hohlkörper für den Leichtbau erstellt werden ohne Verlust der Festigkeit der Gesamtkonstruktion.

Konturnahe Kühlung im Formenbau

Deutliche Fortschritte und ein hohes Einsparpotenzial versprechen auch Formkerne und Werkzeugeinsätze mit konturnaher Temperierung. Die bei der Kunststoffproduktion unerwünschte Wärme im Erkaltungsprozess kann mittels SLM-hergestellter Formkerne gezielt und schneller reduziert werden.

Höhere Qualität bei Kunststoffteilen

Als Folge der gezielten Wärmekontrolle steigt die Qualität der Kunststoffteile mit SLM deutlich an. Weniger Wärme bedeutet weniger Verzug. Und auch die Zykluszeit kann durch die schnellere Wärmeabfuhr deutlich reduziert werden. Das ist durch geringere Stückzeiten bares Geld wert.

Dienstleistung auch für Formenbauer

Die Herstellung von SLM-Formteilen mit konturnaher Kühlung bietet VMR auch als Dienstleistung an. Ob mit oder ohne Nachbearbeitung - wir freuen uns auf Ihre

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