Voll funktionsfähige 3D-gedruckte Bauteile durch selektives Lasersintern

In Nylon verwurzelt

Wie bei jedem additiven Verfahren ist es auch beim selektiven Lasersintern wichtig, dass man die vielen damit verbundenen Designüberlegungen versteht. Eine davon ist der Werkstoff. Trotz ihres weiten Anwendungsbereichs sind alle SLS-Teile derzeit auf Nylonwerkstoffe beschränkt – denselben Kunststoffen, die in Befestigungselementen, kugelsicheren Westen, Bratpfannen und Tausenden anderen Alltagsgegenständen verwendet werden. Protolabs bietet sechs verschiedene Materialien an (fünf verschiedene Polyamide und ein TPU):

• PA 12 Smooth Weiß/Vapour Smooth Weiß ist ein wirtschaftliches Material für funktionale Prototypen und Endanwendungsteile. Es bietet eine hohe Schlag- und Temperaturbeständigkeit, ist sehr langlebig und bleibt unter einer Reihe von Umweltbedingungen stabil. Im Vergleich zu anderen Nylons weist das Material eine weiße Oberfläche mit einer etwas raueren Oberflächenstruktur auf.
• PA 12 Glass Filled Smooth Weiß ist ein mit Glasfasern gefülltes Polyamidpulver. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit und Formbeständigkeit erreicht. Das Material hat eine höhere Wärmeformbeständigkeit als ungefüllte Polyamide und weist eine ausgezeichnete Langzeitverschleißfestigkeit auf. Aufgrund des Glaszusatzes sind die Schlag- und Zugfestigkeit jedoch geringer als bei anderen Nylonarten.
• PAx Smooth Natural/ Vapour Smooth Natural ist ein vielseitig einsetzbares Polyamid mit ausgezeichneter Zähigkeit und Flexibilität in allen Richtungen, einschließlich der Z-Ebene. Das Material hat eine hohe Langzeitstabilität und Haltbarkeit und kann sowohl für die Herstellung von Prototypen als auch für Endanwendungen verwendet werden.
  Das Material ist sehr vielseitig, so dass die Anwendungen von Scharnieren und Schnappverbindungen bis hin zu Befestigungen, Gehäusen und Orthesen reichen.
• PA 12 Carbon Filled Smooth Schwarz ist ein anthrazitgraues Nylon, das sich durch extreme Steifigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit bei gleichzeitiger elektrischer Leitfähigkeit und geringem Gewicht auszeichnet. Es kann sowohl für funktionelle Prototypen als auch für Endanwendungsteile verwendet werden. Der Kohlenstofffaser-Füllstoff weist je nach Dreiachsrichtung unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Im Vergleich zu anderen SLS-Nylons hat dieses Material eine gute Oberflächenqualität und eine glattere Oberfläche.
• PA 12 Flex Flex Pure Schwarz ist ein anthrazitgraues Nylon mit ausgezeichneter Flexibilität und Schlagfestigkeit. PA 12 Flex Schwarz vereint die positiven Eigenschaften von PA 12 und PP. Festigkeit und Steifigkeit sind vergleichbar mit PA12. Die Dehnung ist vergleichbar mit der von ungefülltem PP. Seine hohe Zähigkeit macht es zu einer ausgezeichneten Wahl nicht nur für Prototypen, sondern auch für Endanwendungsteile.
• TPU-88A Pure Schwarz ist ein anthrazitgraues Nylon, das sich durch extreme Steifigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit bei gleichzeitiger elektrischer Leitfähigkeit und geringem Gewicht auszeichnet. Es kann sowohl für funktionelle Prototypen als auch für Endanwendungsteile verwendet werden. Der Kohlenstofffaser-Füllstoff weist je nach Dreiachsrichtung unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Im Vergleich zu anderen SLS-Nylons hat dieses Material eine gute Oberflächenqualität und eine glattere Oberfläche.

Verarbeitung

Diese Nylonmaterialien eignen sich für viele verschiedene Anwendungen. Die meisten SLS-Materialien, die bei Protolabs verwendet werden, sind Nylon 12, aber viele Kunden entscheiden sich für steifere Materialien (kohlenstoff- und glasgefüllte Varianten) oder flexiblere Materialien (TPU), je nach ihren individuellen Anforderungen an das Teil. Effizientes Teiledesign geht jedoch weit über die Materialauswahl hinaus, und die Kontrolle der beim AM-Prozess auftretenden Einfallstellen und des anschließenden Verzugs ist für eine gute Teilequalität von entscheidender Bedeutung.

Ein Großteil dieser Gegenmaßnahmen fallen Protolabs zu. Um die Teile gerade und genau ausgerichtet zu halten, stellen unsere Techniker Teile in der Baukammer oft ein wenig schräg. Zum Beispiel wird beim Entwurf eines Gehäuses für eine tragbare Videospielkonsole lediglich eine Neigung von 10 bis 15 Grad auf der x- und y-Achse während des Baus benötigt, um die Wände rechtwinklig und den Gehäusedeckel reibungslos passend zu halten. Es muss aber unbedingt beachtet werden, dass es infolge dieser Methode zu einer „Stufenbildung” kommen kann. Es ist daher wichtig, dass Sie kosmetische Oberflächen in Ihrem Entwurf kennzeichnen, bevor Sie ihn zur Angebotserstellung und Analyse an Protolabs senden.

Für besonders komplizierte Teile können Rippen zur Verstärkung großer flacher Oberflächen verwendet werden. Wenn das Design Ihrer tragbaren Spielkonsole einen dünnen Deckel erfordert, wird mit einem Waben- oder Schachbrettmuster an der Innenseite nicht nur der Deckel verstärkt, sondern auch eine Senkung der Materialkosten und eine Reduktion des möglichen Verzugs erzielt.

Es ist nie zu früh, die Formbarkeit zu verbessern!

Viele der beim Spritzguss angewendeten Regeln gelten auch für SLS und machen das selektive Lasersintern daher zur soliden Wahl für Teile, die irgendwann gegossen werden. Die Verwendung von Lochwülsten und Stützstreben und die Vermeidung dicker Querschnitte sind gute Praktiken für jedes dieser Fertigungsverfahren. Weitere Designüberlegungen sind:

• Einfügen von abgerundeten Ecken, wo Wände aufeinandertreffen, um Spannungen zu reduzieren.
• Eine gleichförmige Wandstärke — wir empfehlen zwischen 1,5 mm und 3,8 mm — zur Verringerung der Verformung während des Baus und zur Reduktion des Verwindungspotentials
• Integrieren von Rippen zur Verringerung von Verzug

Wo spritzgegossene Teile umspritzte Metallbuchsen oder Gewindeeinsätze enthalten können, erzielen SLS-Teile eine vergleichbare Funktionalität durch mittels „Heat-Staking“ eingefügter Einsätze. Beim Beispiel der Spielkonsole können Gewindeeinsätze mit entsprechender Wärme- und Druckanwendung als sekundärem Prozess an jeder Gehäuseecke eingefügt werden, um eine feste Baugruppe zu erhalten.

Das Erscheinungsbild

Die mit SLS erzielte Oberflächenbeschaffenheit ist ein wenig rauer als bei anderen additiven Fertigungsverfahren und kann von 100 bis 250 RMS reichen. Sie eignet sich aber immer noch ziemlich gut für die meisten funktionsfähigen Prototypen. Außerdem perlstrahlt Protolabs die meisten Kundenteile, um lose Pulverrückstände zu beseitigen und eine glatte, matte Oberfläche zu erhalten. Sehr feiner Text ist eine weitere Überlegung. Da die minimale Merkmalgröße bei SLS 1 mm beträgt, kommt es bei sehr kleinen Schriftarten oft zur Verstopfung mit Pulver, so dass Buchstaben und Zahlen weniger leserlich werden. Eine Umstellung auf versenkten Text liefert bessere Ergebnisse, ist aber immer noch auf Merkmale begrenzt, die eine Größe von mindestens etwa 0,5 mm haben müssen. Und schließlich ist SLS geringfügig weniger genau als konkurrierende Lasersinterprozesse: wo DMLS erwartete Toleranzen von ±0,1 mm plus zusätzlichen 0,001 mm/mm an Metallteilen sind, betragen die an gut entworfenen Teilen mit SLS erzielbaren Toleranzen ±0,25 mm plus ±0,0015 mm/mm.

Der Vorteil besteht hier darin, dass mit SLS Teile bis zu einer Größe von 676 x 367 x 564 mm möglich sind. Und weil keine Stützstrukturen benötigt werden, kann das ganze Pulverbett genutzt werden, so dass mehrere Teile in einem einzelnen Bau verschachtelt werden können. SLS wird dadurch zu einer soliden Alternative für CNC-bearbeiteten Kunststoff. Es eignet sich als logisches Sprungbrett zu Spritzguss und zur Produktion von funktionsfähigen Nylonteilen in größeren Serien als gewöhnlich mit additiver Fertigung verbunden sind.

Weitere Informationen über SLS finden Sie in den Designempfehlungen von Protolabs. Sie können Fragen gerne auch direkt an einen Kundendiensttechniker richten: E-Mail: [email protected]; Telefon +49 (0) 89 90 5002 22.