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DMLS - Direktes Metall-Lasersintern

Die Meister-Klasse in Produktdesign und -entwicklung


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Insight: DMLS - Direktes Metall-Lasersintern

17.07.2020

Hallo und herzlich willkommen zu dieser Ausgabe von Insight! 

Heute sehen wir uns ein bestimmtes Produktionsverfahren an und wie es Ihnen und Ihrem Unternehmen helfen kann. Es geht um ein industrielles 3D-Druckverfahren, das als direktes Metall-Lasersintern, kurz DMLS, bezeichnet wird.

Dies ist eines der revolutionärsten und ehrlich gesagt auch coolsten additiven Fertigungsverfahren, die es gibt. Damit lassen sich funktionsfähige Metallprototypen und Teile für den Endgebrauch herstellen. Durch weniger Komponenten sorgt es für einfachere Montage, und der Komplexität der Teile sind fast keine Grenzen gesetzt, und zwar ohne zusätzliche Kosten.

Das Grundprinzip des Verfahrens ist verblüffend einfach. Ein Modell wird in papierdünne Schichten zerlegt, dann werden diese Schichten mit einem Laser in ein Bett aus Metallpulver sozusagen „gezeichnet“. Der Laser verschmilzt und verdichtet das Metallpulver an den Stellen, die fest werden sollen. Dies wird immer wieder wiederholt, sodass ein Metallkörper Schicht für Schicht aufgebaut wird, bis das Teil fertig ist.

In Prinzip entstehen hier also massive Metallteile, indem das pulverförmige Rohmaterial mit einem Laser bestrahlt wird. Das ist doch beeindruckend, oder?

Jedenfalls entsteht mit diesem Prozess ein Produkt, das sich in mechanischer Festigkeit und Ermüdungsverhalten kaum von Produkten aus vergleichbaren Schmiede- oder Gussmaterialien unterscheidet. Und in manchen Fällen ist es maschinenbearbeiteten Produkten sogar überlegen. Aber die Fertigung erfolgt zu minimalen Werkzeugkosten, mit bedeutend kürzeren Rüstzeiten und nur wenig Abfall.

Klar, es wird wohl nie ein Verfahren geben, das ausnahmslos alles kann. Wenn Sie DMLS in Erwägung ziehen, müssen Sie über ein paar Einschränkungen Bescheid wissen.

Zwar entstehen mit diesem Verfahren Teile mit fast 100% Dichte aus hochfesten, korrosionsbeständigen Metallen, doch können sich bestimmte Teilemarkmale verformen oder krümmen, wenn sie während des Bauprozesses nicht ausreichend gestützt werden. Das Design der Stützen braucht Sie als Produktdesigner oder Ingenieur nicht zu kümmern, aber Sie müssen wissen, dass manche Formen besonders schwierig zu erstellen sind. Indem Sie Ihr Teiledesign geringfügig anpassen, können Sie vielleicht Kosten senken und die Qualität steigern.

So sind zum Beispiel Überhänge etwas problematisch. Wenn Sie ein Teil in der Form eines großen T produzieren möchten, brauchen Sie vertikale Stützen, damit sich der Querstrich oben nicht verformt. Diese können Sie nach dem Aufbau abschleifen, aber das kostet Zeit und Geld, und beides möchten wir nach Möglichkeit sparen.

Gekrümmte Formen mit Löchern sind auch nicht ganz einfach. Denken Sie dabei an den Großbuchstaben „D“. Sofern das Teil nicht ziemlich winzig ist – mit einem strohhalmgroßen Loch –, brauchen Sie innerhalb der Lücke Stützen, um das Teil in Form zu halten, aber das Abschleifen einer umschlossenen Stütze ist noch schwieriger.

Es gibt jedoch ein paar hilfreiche Tricks, zum Beispiel das Ändern der Baurichtung. Statt zu versuchen, die Formen – in unserem Beispiel Buchstaben – vertikal zu drucken, könnten Sie sie waagrecht legen.

In diesem Fall stehen alle Wände des Buchstabens senkrecht und die einzige benötigte Stütze ist eine Reihe miteinander verbundener senkrechter Halterungen zwischen der Unterseite jedes Buchstabens und der DMLS-Bauplattform – ein bisschen wie ein Gerüst an einem Gebäude. Die Halterungen sind nach Fertigstellung des Bauteils leicht zu entfernen. Der direkte Kontakt mit großen, flachen Teileoberflächen, die sich verformen oder die DMLS-Bauplattform beschädigen könnten, wird vermieden. Dieser Ansatz sorgt außerdem für eine optimale Oberflächenqualität, da die Rauheit zunimmt, je mehr die Wände bei DMLS-Druckteilen von der Vertikalen abweichen.

Bei den Einschränkungen müssen wir auch die Wandstärke erwähnen. Bei dünnen Wänden von weniger als 1 mm darf das Verhältnis zwischen Wandhöhe und Wandstärke maximal 40:1 betragen, da die Struktur ansonsten einstürzen kann. Andererseits sind sehr dicke Wände verschwenderisch und zeitaufwendig. Es ist besser, sie mit einer Waben- oder Gitterstruktur auszuhöhlen, um so die Materialkosten und die Bearbeitungszeit zu reduzieren und gleichzeitig die strukturelle Stabilität zu bewahren.

Gitterstrukturen sind tatsächlich einer der besten Tricks, den 3D-Zauberer auf Lager haben. Sie können mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren kaum hergestellt werden, sind jedoch bei DMLS kein Problem. Ebenso verhält es sich mit baumartigen Strukturen, leicht gedrehten Muschelformen und anderen organischen Formen, die alle mittels 3D-Druck kostengünstig herzustellen sind. Es braucht nur etwas Fantasie und die richtige CAD-Software.

Und noch ein Punkt. DMLS ermöglicht es, die Grenzen des Designs von Prototypen und Kleinserienteilen zu erweitern, ist jedoch nicht für die Massenproduktion geeignet. Denken Sie also bereits in den frühen Designphasen an den gesamten Lebenszyklus des Produkts, damit sie später nicht feststellen müssen, dass es sich für große Serien nicht eignet.

Alles klar, das war‘s für diese Woche. Ich freue mich, Sie nächsten Freitag wiederzusehen.

 


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