Wie funktioniert das Schicht-Laminat-Verfahren (LLM)?
Beim Schicht-Laminat-Verfahren handelt es sich um eine Form der Fertigung, bei der einzelne Schichten aus vorgefertigten Folien oder Platten erstellt und zu einem dreidimensionalen Modell zusammengefügt werden. Dabei werden die Folien oder Platten entweder zeitgleich oder nachträglich durch Kleben und andere Fügeverfahren miteinander verbunden. Die einzelnen Schichten können aus Kunststoff, Papier, Metall oder keramischen Materialien bestehen.
Der Zuschnitt erfolgt durch Laser, Messer oder Fräser. Das Verfahren ist vor allem dann eine gute Wahl, wenn massive Teile schnell gefertigt werden sollen.
Aber schauen wir uns das Schicht-Laminat-Verfahren einmal genauer an!:
Wie funktioniert das Schicht-Laminat-Verfahren?
Die einfachste Möglichkeit, um dreidimensionale Bauteile generativ zu fertigen, besteht darin, zunächst Folien zuzuschneiden und diese anschließend zusammenzufügen. Strenggenommen handelt es sich dabei dann zwar nicht mehr um ein rein additives Verfahren.
Denn bei einem generativen Verfahren, bei dem zu den additiven Schritten durch Fräsen auch abtragende Schritte oder durch Schneiden trennende Schritte dazukommen, spricht die Wissenschaft von einem subtraktiv-additiven Verfahren.
Auf diese präzisere Bezeichnung gehen wir in diesem Beitrag aber nicht näher ein. Wir konzentrieren uns darauf, dass ein Bauteil aus Schichten aufgebaut wird. Der wissenschaftlich exaktere Begriff hat auf die praktische Anwendung keinen Einfluss.
Damit detaillierte Modelle entstehen, müssen die einzelnen Schichten sehr dünn sein und genau zueinander positioniert werden. Bei den meisten Verfahren wird deshalb die neue Schicht zuerst auf die vorhergehende Schicht aufgebracht. Erst danach erhält das anteilig fertige Bauteil seine Kontur.
Diese Verfahren nennen sich Schicht-Laminat-Verfahren oder auf Englisch Layer Laminate Manufactoring, kurz LLM. Eine andere, bekannte Bezeichnung lautet Laminated Object Manufactoring, kurz LOM.
Dabei handelt es sich aber nicht um den Namen eines Verfahrens. Vielmehr ist es ein geschützter Produktname, der sich im Laufe der Zeit zum Synonym für eine ganze Modellfamilie entwickelt hat.
Um ein Bauteil zu konturieren, werden meistens Laser eingesetzt. Alternativ können aber auch Heißdrähte, Messer oder Fräser genutzt werden. Werden die Konturen gefräst, werden die Schichten einerseits verklebt.
Andererseits werden Zentrierbohrungen in die Kontur eingearbeitet, in die Stifte gesteckt werden. Um Metallschichten zu fixieren und miteinander zu verbinden, finden das Laserschweißen, das Diffusionsschweißen und das Ultraschallschweißen Anwendung.
Kunststofffolien hingegen werden entweder geklebt oder flächig durch Polymerisation miteinander verbunden.
Das additive Prinzip wird oft auch dann angewendet, wenn manuelle Teilprozesse wie zum Beispiel das Laserschneiden und das Fügen miteinander verbunden werden. Solche Verfahren hängen nicht von einer Maschine ab. Allerdings ist es dann eigentlich auch kein generatives Fertigungsverfahren mehr.
Denn in diesem Fall wird ein 3-D-Datensatz nicht direkt automatisiert in ein physisches Bauteil umgesetzt.
Inhalt
Welche Vorteile bietet das Schicht-Laminat-Verfahren?
Die Stärken der Schicht-Laminat-Verfahren kommen zum Tragen, wenn massive Bauteile hergestellt werden sollen. Außerdem eignen sich die Verfahren sehr gut für die Fertigung großer Modelle, weil die aufwändige Schraffur von großen Flächen wegfällt.
In Bezug auf das Volumen des Bauteils arbeiten Schicht-Laminat-Verfahren schnell. Gleichzeitig ist der Aufwand an Maschinentechnik gering.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Verfahren weitestgehend unabhängig vom verwendeten Material sind. Wird Papier verarbeitet, sind die Materialkosten gering und die Entsorgung gestaltet sich unkompliziert.
Durch Fräser ist eine konstante Konturierung der X-Y-Ränder in Z-Richtung bereits vorhanden. Durch eine entsprechende 5-Achs-Steuerung eines Lasers ist sie ebenfalls möglich.
Laser zur Konturierung der Schichten einzusetzen, bringt den Vorteil mit sich, dass die Palette an Werkstoffen nahezu unbegrenzt ist. Denn der Laserstrahl kann sämtliche Materialien schneiden. Gleichzeitig lassen sich mit optimierten Laserschneidverfahren sehr hohe Schneidgeschwindigkeiten erreichen.
Was sind die Nachteile des Schicht-Laminat-Verfahrens?
Das Fügen und hier vor allem das Verkleben der Schichten bringt den Nachteil mit sich, dass sich die mechanisch-technologischen Eigenschaften in und quer zur Schichtrichtung bei den meisten Schicht-Laminat-Verfahren stark voneinander unterscheiden.
Der Fachbegriff dafür lautet Anisotropie, was so viel wie Richtungsabhängigkeit bedeutet. Eine Ausnahme bilden Bauteile aus Metall, bei denen die Schichten durch Diffusions- oder Ultraschallschweißen gefügt wurden. Sie weisen gleichmäßige Eigenschaften in allen Koordinatenrichtungen auf.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich, wenn Bereiche wie Ausschnitte oder Bohrungen vorhanden sind, die innen liegen und nicht zum Bauteil gehören. Solche Bereiche müssen entweder manuell aus jeder Schicht entfernt werden, was aber nur bei einigen Verfahren möglich ist.
Oder sie verbleiben zunächst als Festkörper im Bauteil und müssen nachträglich ausgeschnitten werden. Je nach Geometrie kann das sehr aufwändig sein.
Flache Schrägen mit Stufenbreiten, die größer sind als der Schneidspalt, lassen sich mit Verfahren, bei denen die Schichten nur verklebt sind, schwer umsetzen. Das Material, das nicht zum Bauteil gehört, lässt sich in diesem Fall nur bedingt entfernen.
Eine Ausnahme bilden Fräsverfahren, weil sie die entsprechenden Bereiche zerspanen. Papiermodelle müssen nach dem Auspacken imprägniert werden, damit es nicht zu einer Delaminierung kommt. Insgesamt ist die Nacharbeit sehr aufwändig.
Mit den meisten Maschinen können nur Bauteile mit gleichmäßigen Z-Abständen gefertigt werden, weil nur eine Materialstärke eingesetzt werden kann. Andererseits ist es durchaus möglich, das Material im laufenden Bauprozess zu wechseln.
Das Material, das aus dem Bauteil abgetrennt und nicht verwendet wird, ist Abfall. Bei Bauteilen, die ähnlich wie Gehäuse große, innen liegende Hohlräume haben, kann das Verhältnis zwischen Bauteil und Abfall je nach Geometrie bei 1:10 oder mehr liegen.
Das hebt den Vorteil des meist geringen Materialpreises ein Stück weit wieder auf.
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