Welche Stützstrukturen werden beim Metall-SLS verwendet und wie schwierig ist deren Entfernung?

Aus ingenieurtechnischer Sicht bezieht sich das, was viele als „Metall-SLS“ bezeichnen, in der Praxis meist auf Laser-Pulverbettverfahren wie DMLS-Metall-3D-Druck oder SLM-Metall-Additive-Fertigung. Im Gegensatz zu polymerbasiertem SLS verwenden diese Verfahren Stützstrukturen aus demselben Metallpulver wie das Bauteil. Diese Stützen sind entscheidend für das thermische Management und die Verzugsminimierung, erhöhen jedoch den Aufwand für Entfernung und Nachbearbeitung erheblich.

Arten von Stützstrukturen im Metall-SLS

Beim Metall-Pulverbettverfahren kommen verschiedene Stütztypen zum Einsatz: massive Blockstützen für große Überhänge, Gitter- oder „Matrix“-Stützen, die Steifigkeit mit leichter Entfern­barkeit kombinieren, sowie nadel- oder baumartige Stützen für feine Geometrien. Alle diese Stützstrukturen werden schichtweise aus derselben Legierung aufgebaut wie das Bauteil selbst und bilden eine metallurgische Bindung.

Der Bau beginnt auf einer dicken Grundplatte, an die die ersten Schichten von Bauteil und Stütze direkt angeschmolzen werden. Nach Abschluss des Bauprozesses und Entfernung des überschüssigen Pulvers wird die Baugruppe aus Teil und Stützen zunächst durch Bandsägen oder Drahterodieren von der Grundplatte getrennt. Erst dann kann das verbleibende Stütznetzwerk entfernt werden.

Warum Metallstützen notwendig sind

In Metallverfahren dienen Stützstrukturen nicht nur geometrischen Zwecken, sondern auch der thermischen und metallurgischen Stabilität. Überhänge unter etwa 45° zur Bauplatte, dünne Wände und lange Brücken neigen ohne feste Verankerung zu Verzug oder Rissbildung. Stützen wirken hier als Wärmesenken, die Energie aus der Schmelzzone ableiten und so Eigenspannungen verringern, die sonst zu Verzug oder Delamination führen würden.

Bei Hochleistungslegierungen wie Inconel 718 sind die thermischen Belastungen besonders stark, sodass das Stützdesign entscheidend ist. Stützen werden oft als Teil des Konstruktionsmodells behandelt: Sie werden hinsichtlich Steifigkeit, Kontaktmuster und Dichte während der Bauvorbereitung abgestimmt und in iterativen Prozessen optimiert, um eine Balance zwischen Druckzuverlässigkeit und Entfernungsaufwand zu erreichen.

Wie schwierig ist die Entfernung von Stützstrukturen?

Das Entfernen von Stützstrukturen beim Metall-SLS/DMLS ist deutlich anspruchsvoller als bei Polymer-SLS. Da die Stützen aus volldichtem Metall bestehen und metallurgisch verbunden sind, können sie nicht einfach weggewaschen oder gebürstet werden. Der Schwierigkeitsgrad hängt von der Härte der Legierung, der Geometrie der Stützen und der Zugänglichkeit ab.

Zunächst wird das Bauteil von der Grundplatte getrennt. Anschließend werden die Hauptstützen mit Bandsägen, Meißeln, Hartmetallfräsern oder Schleifwerkzeugen entfernt. Für präzise Flächen und Funktionsbereiche wird das Teil in der Regel in eine CNC-Bearbeitung überführt, wo Stützenreste plan gefräst und Bezugsflächen hergestellt werden. Kritische Dichtflächen, Bohrungen und Passungen werden häufig durch CNC-Schleifen fertigbearbeitet, um Rundheit und Oberflächenqualität sicherzustellen.

Selbst nach der mechanischen Entfernung können kleine Rückstände oder wärmebeeinflusste Zonen verbleiben. Diese werden typischerweise durch Gleitschleifen und Entgraten, Strahlen oder manuelles Polieren beseitigt. Bei komplexen Innenkanälen kann die Stütz­entfernung von schwierig bis unmöglich sein – daher sollten interne Stützen bereits in der Konstruktionsphase vermieden werden.

Konstruktionsstrategien zur Reduzierung des Entfernungsaufwands

Um den Aufwand für die Stütz­entfernung gering zu halten, werden Bauteil und Bauorientierung gemeinsam optimiert. Eine geeignete Ausrichtung, die niedrige Überhänge vermeidet, sowie selbsttragende Geometrien (z. B. 45°-Dächer statt flacher Überhänge) und das Aufteilen komplexer Modelle in mehrere Segmente können das Stützvolumen deutlich verringern.

Wir platzieren Kontaktzonen der Stützen vorzugsweise auf nicht-funktionalen Flächen oder in Bereichen, die später durch CNC-Prototyping entfernt werden. Dadurch werden eventuelle Stützspuren vollständig abgetragen, sodass die funktionalen Oberflächen unversehrt bleiben. In vielen kundenspezifischen Projekten behandeln wir Metall-SLS daher als Near-Net-Shape-Verfahren, gefolgt von konventioneller CNC-Fertigung zur Erreichung der Endgeometrie und Oberflächengüte.

Zusammengefasst verwendet das Metall-SLS keine löslichen oder leicht abziehbaren Stützmaterialien; die Stützen sind tragende Metallstrukturen, die durch Sägen, Fräsen und Finishing entfernt werden müssen. Mit durchdachter Konstruktion und einem hybriden additiv-subtraktiven Fertigungsansatz lässt sich ihr Einfluss zwar minimieren, doch bleiben sie ein wesentlicher Bestandteil des gesamten Herstellungsprozesses.