Wie groß ist das typische Bauvolumen von Metall-SLS-Anlagen und wie werden größere Teile gefertigt?

Aus fertigungstechnischer Sicht ist das Bauvolumen von Metall-SLS-Systemen (auch bekannt als DMLS oder LPBF) ein entscheidender Faktor für die Machbarkeit der Herstellung großer Komponenten in einem Stück. Während Standardmaschinen bereits beachtliche Bauvolumina bieten, hat die Industrie robuste Strategien entwickelt, um Bauteile zu fertigen, die diese Dimensionen überschreiten.

Typische Bauvolumina von Metall-SLS-Systemen

Das Bauvolumen industrieller Metall-SLS-Systeme ist nicht standardisiert, bewegt sich jedoch in typischen Größenordnungen. Die meisten Produktionsmaschinen führender Hersteller wie EOS, SLM Solutions und 3D Systems bieten Bauvolumina in etwa folgenden Bereichen:

• Standard-Industriemaße: Ungefähr 250 mm x 250 mm x 325 mm bis 400 mm x 400 mm x 400 mm (10" x 10" x 13" bis 15,7" x 15,7" x 15,7"). Diese Größen decken den Großteil der Komponenten für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt (Halterungen, Düsen) und die Medizintechnik (Implantate) ab.

• Großformatige Systeme: Für anspruchsvollere Anwendungen sind großformatige Maschinen verfügbar. Systeme von Herstellern wie Velo3D, SLM Solutions und GE Additive bieten Bauvolumina von bis zu 600 mm x 600 mm x 600 mm oder sogar 800 mm x 400 mm x 500 mm. Diese werden für größere Strukturbauteile, Turbinengehäuse oder größere Maschinensegmente eingesetzt.

Strategien für den Umgang mit größeren Bauteilen

Wenn die Bauteilabmessungen das verfügbare Bauvolumen überschreiten, kommen mehrere ingenieurtechnische Strategien zum Einsatz:

1. Segmentierung des Bauteils (am häufigsten): Das Bauteil wird in mehrere Segmente unterteilt, die in den Bauraum passen. Dies ist keine einfache Trennung, sondern erfordert eine sorgfältige Konstruktion der Verbindungsstellen.

   • Integrierte Verbindungselemente: Die Segmente werden mit ineinandergreifenden Geometrien, Flanschen oder Nut-und-Feder-Verbindungen konstruiert, um eine präzise Ausrichtung zu gewährleisten.

   • Nachträgliches Fügen: Die Segmente werden nach dem Druck und der Nachbearbeitung durch hochfeste Verfahren verbunden. Bevorzugt werden Schweißverfahren (insbesondere WIG- oder Elektronenstrahlschweißen), die eine monolithische Struktur erzeugen, oder Vakuumlöten bei bestimmten Legierungen. Für lösbare oder prüfbare Verbindungen können mechanische Befestigungselemente mit konstruktiv vorgesehenen Schraubmustern eingesetzt werden.

2. Hybride Fertigung: Bei diesem Ansatz wird ein großer, einfacher Grundkörper konventionell – etwa durch CNC-Bearbeitung oder Gießen – hergestellt. Die komplexen, topologieoptimierten Strukturen werden anschließend per Metall-SLS auf diesen Grundkörper aufgebracht. Dies ist eine äußerst effiziente Methode, um komplizierte Kühlkanäle oder Leichtbaustrukturen auf großen Basisbauteilen zu integrieren.

3. Designoptimierung für den Bauraum: Oft kann das Bauteil diagonal im Bauraum ausgerichtet werden, um die maximale druckbare Länge einer Dimension auszunutzen. Das Design selbst kann zudem so angepasst werden, dass der Platzbedarf reduziert wird, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen.

Technische Überlegungen für große Bauteile

• Spannungsmanagement: Große Bauteile unterliegen erheblichen thermischen Eigenspannungen während des Bauprozesses. Dies erfordert eine sorgfältige Parameterauslegung und oft eine Spannungsarmglühung auf der Bauplatte, um Verzug oder Risse zu vermeiden.

• Stützstrukturen: Große, flache Flächen sind besonders verzugsanfällig. Umfangreiche und robuste Stützstrukturen sind notwendig, was den Materialverbrauch, die Bauzeit und den Aufwand für die Entfernung der Stützen erhöht.

• Powder-Management: Große Druckaufträge verbrauchen erhebliche Mengen teuren Metallpulvers. Die Kosten und das Handling – einschließlich Sieben und Recycling – sind wichtige wirtschaftliche Faktoren.

• Nachbearbeitungsanforderungen: Das Handling, Sandstrahlen und die Wärmebehandlung sehr großer Teile erfordern ebenso groß dimensionierte Industrieanlagen, etwa übergroße Öfen für das Heißisostatische Pressen (HIP).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das typische Bauvolumen des Metall-SLS-Verfahrens für viele Anwendungen ausreichend ist, die Technologie jedoch nicht dadurch begrenzt wird. Durch gezielte Segmentierung, hybride Fertigungskonzepte und spezialisierte Großanlagen kann die Industrie heute auch sehr große, komplexe Metallkomponenten erfolgreich herstellen und dabei die Designfreiheit der additiven Fertigung voll ausschöpfen.