Kann Metall-SLS komplexe Teile mit Hohlräumen herstellen, und wie wird das Pulver entfernt?

Aus fertigungstechnischer und ingenieurwissenschaftlicher Sicht ist die Fähigkeit, komplexe Bauteile mit inneren Hohlräumen zu produzieren, einer der größten Vorteile des metallischen Selective Laser Sintering (SLS), auch bekannt als Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Diese Fähigkeit unterscheidet das Verfahren grundlegend von klassischen subtraktiven Methoden und sogar von vielen anderen Fertigungsverfahren.

Fähigkeit zu bisher unerreichter Komplexität

Ja, Metall-SLS eignet sich hervorragend für die Herstellung von Bauteilen mit komplexen inneren Hohlräumen. Das Verfahren baut Komponenten Schicht für Schicht auf, indem Metallpulver mit einem Laser aufgeschmolzen wird. Das umliegende, unversinterte Pulver stützt das Bauteil während des Baus auf natürliche Weise, sodass sich komplexe Merkmale wie innenliegende Kanäle, Wabenstrukturen, Hinterschneidungen und Hohlstrukturen fertigen lassen, die mit spanenden Verfahren oder sogar durch Gießen in einem einzigen Schritt nicht herstellbar wären. Dies ist besonders wertvoll für Anwendungen, die Folgendes erfordern:

• Konturnahe Kühlkanäle: In Spritzgieß- oder Druckgusswerkzeugen kann der DMLS-3D-Druck Kühlkanäle erzeugen, die der Kontur der Kavität exakt folgen. Das reduziert Zykluszeiten drastisch und verbessert die Bauteilqualität.

• Gewichtsreduktion: Innenliegende Gitterstrukturen in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt verringern das Gewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit.

• Strömungsoptimierung: Komplexe innere Verteiler und Düsen mit strömungsgünstig optimierten Kanälen für Kraftstoff, Luft oder Hydraulikmedien in der Automobilindustrie und in der Energieerzeugung.

Der kritische Schritt der Pulverentfernung

Während das unversinterte Pulver diese Komplexität ermöglicht, ist seine Entfernung ein kritischer und oft herausfordernder Nachbearbeitungsschritt. Die Strategie für die Pulverentfernung ist ein zentraler Bestandteil der Designphase.

1. Design für Pulverentfernung: Der wichtigste Faktor ist die Integration von Pulverentlüftungsöffnungen bereits im Entwurf. Innere Hohlräume müssen über Öffnungen mit der Außenfläche verbunden sein, die groß genug sind, damit Pulver frei ausfließen kann. Größe und Position dieser Öffnungen sind entscheidend – sie sollten an tiefen Stellen und Verzweigungen platziert werden, um eine vollständige Entleerung zu ermöglichen.

2. Initiales Entpulvern: Nach Abschluss des Bauprozesses und der Entnahme des Bauteils von der Bauplattform wird das Schüttpulver zunächst manuell entfernt. Dies geschieht häufig in speziellen Stationen mit Bürsten, Haken, Druckluft und ähnlichen Hilfsmitteln. Bei komplexen Bauteilen kann diese erste Phase zeitaufwendig sein und erfordert große Sorgfalt, um empfindliche Innengeometrien nicht zu beschädigen.

3. Erweiterte Pulverentfernungstechniken: Für komplexe innere Netzwerke, in denen Pulver leicht eingeschlossen bleibt, kommen weiterführende Methoden zum Einsatz:

   • Ultraschallreinigung: Das Bauteil wird in ein Lösungsmittel oder Reinigungsmedium getaucht und mit Ultraschallwellen beaufschlagt. Die entstehenden Kavitationsblasen lösen anhaftendes Pulver auch in schwer zugänglichen Bereichen. Dies ist ein gängiges und sehr wirkungsvolles Verfahren.

   • Gleitschleifen/Vibrationsentgraten: Bei einigen Bauteilen kann ein schonender Gleitschliffprozess mit speziellem Schleifmedium helfen, Restpulver zu lösen. Häufig dient dieser Schritt jedoch primär dem Entgraten und der Oberflächenverbesserung.

   • Aggressivere Methoden: In manchen Fällen kommen Verfahren wie Sandstrahlen oder Elektropolieren zum Einsatz. Diese werden jedoch in der Regel als abschließende Oberflächenbehandlung verwendet und dienen weniger der Entfernung großer Pulvermengen.

4. Verifizierung: Die vollständige Pulverentfernung ist entscheidend – insbesondere bei Komponenten wie Fluidverteilern. Methoden wie Endoskop-/Borescope-Inspektion oder sogar Röntgen-Computertomografie (CT-Scan) können eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass innere Kanäle vollständig frei sind.

Technische Richtlinien und Grenzen

• Öffnungsgröße und Zugänglichkeit: Es gibt eine praktische Untergrenze für die Größe von Pulverentlüftungsöffnungen. Sehr kleine Bohrungen können verstopfen und lassen Pulver nicht zuverlässig abfließen. Es ist daher stets empfehlenswert, die Öffnungen so groß wie möglich zu dimensionieren.

• Risiko eingeschlossenen Pulvers: Trotz aller Maßnahmen können schlecht gestaltete Innenhohlräume mit „Inselvolumina“ oder langen, engen und stark verwundenen Kanälen Pulver dauerhaft einschließen. Dies erhöht die Masse, beeinflusst thermische Eigenschaften oder kann im Betrieb zu Verunreinigungen führen.

• Integration weiterer Nachbearbeitungsschritte: Die Pulverentfernung ist nur ein Prozessschritt. Solche Bauteile benötigen häufig zusätzlich eine Wärmebehandlung zur Spannungsarmung und Eigenschaftsverbesserung. Kritische Funktionsflächen werden meist durch CNC-Bearbeitung auf die erforderlichen Toleranzen gebracht.

Zusammengefasst ist Metall-SLS in seiner Fähigkeit, Bauteile mit komplexen inneren Geometrien herzustellen, nahezu konkurrenzlos. Diese Stärke setzt jedoch einen konsequenten Design-for-Manufacturability-Ansatz voraus, der die Pulverentfernung frühzeitig berücksichtigt, sowie eine Nachbearbeitungskette, die sicherstellt, dass alle Hohlräume für die spätere Funktion vollständig frei und sauber sind.