Що таке SLS друк та як він працює?

Селективне лазерне спікання (SLS) – це технологія адитивного виробництва (AM), в якій використовується лазер для спікання порошку у тверду структуру на основі тривимірної моделі. SLS – популярний вибір для інженерів у розробці продуктів протягом десятиліть. Низька вартість, висока продуктивність, роблять технологію ідеальною для цілого ряду застосувань від функціонального прототипування до дрібносерійного виробництва.

Нещодавні досягнення в галузі машин, матеріалів та програмного забезпечення зробили SLS доступною для ширшого кола підприємств, що дозволяє дедалі більшій кількості компаній використовувати інструменти, раніше обмежені декількома високотехнологічними галузями.

У цьому широкому посібнику ми розповімо про процес селективного лазерного спікання, про різні системи та матеріали, доступні на ринку, і про те, коли варто розглянути можливість використання селективного лазерного спікання в порівнянні з іншими адитивними та традиційними методами виробництва.

Походження SLS

Селективне лазерне спікання (SLS) було однією з перших технологій адитивного виробництва, розроблених у середині 1980-х років доктором Карлом Деккардом та доктором Джо Біманом у Техаському університеті в Остіні. З того часу їх метод був адаптований для роботи з різними матеріалами, включаючи пластмаси, метали, скло, кераміку та порошки різних композиційних матеріалів. Сьогодні ці технології спільно класифікуються як процеси плавлення у порошковому шарі – адитивні виробничі процеси, за допомогою яких теплова енергія вибірково плавить ділянки порошкового шару.

На сьогоднішній день дві найбільш поширені системи плавлення в порошковому шарі - на основі пластику, зазвичай звані SLS, і на основі металу, відомі як пряме лазерне спікання металу (DMLS) або селективне лазерне плавлення (SLM). Донедавна обидві ці системи були надмірно дорогими та складними, обмежуючи їх використання невеликими кількостями дорогих чи нестандартних деталей, таких як аерокосмічні компоненти або медичні пристрої.

Інновації в цій галузі зросли останнім часом, і SLS на основі пластику в даний час готове слідувати іншим технологіям 3D-друку, таким як стереолітографія (SLA) і плавлення пластикового прутка (FDM), щоб отримати широке поширення з доступними компактними системами.

Як працює SLS

В 3D-принтерах SLS використовується потужний лазер для плавлення дрібних частинок полімерного порошку.

Процес друку

Порошок диспергується тонким шаром на верхній частині платформи всередині робочої камери. Це дозволяє лазеру підвищувати температуру певних областей порошкового шару, оскільки він відстежує модель затвердіння деталі. Лазер сканує поперечний переріз 3D моделі, нагріваючи порошок трохи нижче або нижче точки плавлення матеріалу. Це механічно сполучає частинки разом, щоб створити одну тверду частину. Нерозплавлений порошок підтримує деталь під час друку і усуває необхідність у спеціальних опорних конструкціях. Потім лазер сканує наступний поперечний переріз збірки. Цей процес повторюється для кожного шару до тих пір, поки деталі не будуть завершені, а готові деталі будуть поступово остигати всередині принтера.

SLS використовує лазер для спікання порошкоподібного пластику у тверду структуру на основі тривимірної моделі.

Відновлення частини та постобробка

Постобробка селективного лазерного спікання потребує мінімальних витрат часу та праці та призводить до послідовних результатів для партій багатьох деталей.

Після виконання завдання на друк готові деталі необхідно витягти зі складальної камери, відокремити та очистити від надлишку порошку. Цей процес зазвичай виконується вручну на станції очищення з використанням стиснутого повітря або бластера.

Деталі SLS мають трохи шорстку, зернисту поверхню прямо з принтера, як наждачний папір із середньою зернистістю. Нейлон надає ряд можливостей для подальшої обробки, таких як кручення, фарбування, фарбування, емалювання в печі, металеве покриття, склеювання, порошкове покриття та флокування.

Відновлення матеріалу

Будь-який надлишок порошку фільтрується для видалення більших частинок і може бути перероблений. Невикористаний порошок трохи розкладається під впливом високих температур, тому його слід оновити новим матеріалом для подальших завдань друку. Ця здатність повторно використовувати матеріал для подальших робіт робить SLS одним із найбільш економічних методів виробництва.

Типи систем SLS

Усі системи селективного лазерного спікання збудовані навколо процесу, описаного вище. Основними відмінними рисами є тип лазера та розмір об'єму друку. У різних системах використовуються різні рішення для контролю температури, розподілу порошку та осадження шарів.

Селективне лазерне спікання потребує високого рівня точності та жорсткого контролю. Температура порошку разом з (неповними) деталями повинна контролюватись в межах 2 °C під час трьох стадій попереднього нагріву, спікання та зберігання перед видаленням, щоб мінімізувати викривлення, напругу та деформацію, спричинену теплом.

Промислові SLS

Промислові SLS використовуються для численних застосувань, від запчастин до найбільшого у світі виробника вантажівок до одягу з індивідуальним друком. Найбільші системи можуть друкувати деталі завдовжки 1 метр.

У промислових системах SLS використовують один або кілька потужних лазерів на вуглекислому газі. Чим більший обсяг складання, тим складніша система. Промисловим SLS потрібно інертне середовище - азот або інші гази - для запобігання окисленню та розкладанню порошку. Таким чином, промислове селективне лазерне спікання потребує спеціального обладнання для обробки повітря. Ці системи також потребують промислового харчування; навіть найменшим промисловим машинам потрібен простір для встановлення щонайменше 10 м².

Настільний SLS

Системи Benchtop SLS (например, Formlabs Fuse) забезпечують продуктивність, порівнянну з промисловими системами, більш компактної, керованої формі.

Benchtop SLS не вимагає спеціалізованої інфраструктури та може легко вписатися у ваш робочий простір.

Настільні системи використовують діодний або волоконний лазер замість CO2-лазерів, що використовуються промисловими системами, для забезпечення рівної якості променя за менших витрат.

Менший обсяг збирання настільної машини вимагає меншого нагріву. Оскільки порошок піддається впливу підвищених температур протягом коротшого періоду часу, немає необхідності в інертних газах і спеціальному устаткуванні для обробки повітря. Загальне енергоспоживання дозволяє настільним системам працювати на стандартній потужності змінного струму без спеціалізованої інфраструктури.

В цілому, настільні системи пропонують трохи менший обсяг складання та повільнішу швидкість порівняно з найменшими промисловими системами SLS, в обмін на значно меншу площу та нижчу вартість.

Порівняння систем SLS

Порівняння базується на настільній SLS-системі Formlabs Fuse 1 та промислових SLS-системах EOS та 3D Systems.

Нейлон: матеріал для прототипування та виробництва

Найпоширенішим матеріалом для селективного лазерного спікання є нейлон, популярний інженерний термопласт, улюблений своїми легкими, міцними та гнучкими властивостями. Нейлон стійкий до ударів, хімікатів, тепла, ультрафіолету, води та бруду.

Нейлон ідеально підходить для цілого ряду функціональних застосувань від розробки споживчих товарів до охорони здоров'я.

Нейлон – це синтетичний термопластичний полімер, який належить до сімейства поліамідів. Його дві версії, які зазвичай використовуються для селективного лазерного спікання, - це нейлон 11 і 12 або PA11 і PA12.

PA - це скорочення від поліаміду, а цифри становлять кількість атомів вуглецю в матеріалі. Обидва матеріали схожі за властивостями, PA11 трохи еластичніший і удароміцніший, тоді як PA12 більш міцний, більш зносостійкий і біосумісний.

SLS Нейлонові Властивості Матеріалу

Нейлон 11 та 12 є однокомпонентними порошками, але у 3D-принтерах SLS також можуть використовуватися двокомпонентні порошки, такі як порошки з покриттям або порошкові суміші. Нейлонові композити з алюмінієм, вуглецем або склом розроблені для оптимізації деталей з метою підвищення їхньої міцності, жорсткості або гнучкості. У цих двокомпонентних порошках спікається лише компонент з нижчою температурою склування, що зв'язує обидва компоненти.

Чому вибирають SLS?

Інженери вибирають селективне лазерне спікання за його свободу проектування, високу продуктивність та пропускну здатність, низьку вартість за деталь та перевірений послужний список.

Свобода дизайну

Більшість процесів адитивного виробництва, таких як стереолітографія (SLA) та моделювання з наплавкою (FDM), потребують спеціалізованих опорних конструкцій для виготовлення конструкцій з нависаючими елементами.

Для селективного лазерного спікання не потрібні опорні конструкції, оскільки незабарвлений порошок оточує деталі під час друку. SLS може створювати раніше неможливі геометрії, такі як блокування або переміщення деталей, деталі із внутрішніми компонентами або каналами та інші дуже складні конструкції.

Ручна шина розроблена зі складним малюнком для нижчої ваги.

Зазвичай інженери проектують деталі з урахуванням можливостей кінцевого виробничого процесу також відомого як DFM. Коли адитивне виробництво використовується тільки для створення прототипів, воно обмежується деталями та конструкціями, які звичайні виробничі інструменти можуть зрештою відтворити в процесі виробництва.

Оскільки селективне лазерне спікання стає життєздатним методом виробництва для зростаючої кількості областей застосування, воно може відкрити нові можливості для проектування та конструювання. SLS може друкувати складні проекти в одному відбитку, який зазвичай потребує кількох частин. Це допомагає полегшити слабкі шви та скоротити час складання.

Селективне лазерне спікання може повністю використати потенціал генеративного дизайну, дозволяючи створювати легкі конструкції, в яких використовуються складні ґратчасті конструкції, які неможливо виготовити традиційними методами.

Висока продуктивність та пропускна здатність

SLS – це найшвидша технологія адитивного виробництва для функціональних, довговічних прототипів та деталей для кінцевого використання. Лазери, які розплавляють порошок, мають набагато більшу швидкість сканування і є більш точними, ніж методи осадження шарів, які використовуються в інших процесах, таких як промислове FDM.

Під час друку можна щільно розташувати кілька частин, щоб максимізувати доступний простір для збирання на кожній машині. Оператори використовують програмне забезпечення для оптимізації кожного складання та максимальної продуктивності, залишаючи лише мінімальний зазор між деталями.

SLS дозволяє операторам упаковувати складальну камеру якомога більшою кількістю частин та друкувати їх без опор

Деталі можуть бути додані до збирання, коли друк вже виконується. Це дає можливість вносити зміни до конструкції в останню хвилину або додавати послідовні ітерації прототипу.

Перевірені, довговічні матеріали

Ключем до функціональності та універсальності SLS 3D-друку є матеріал. Нейлон та його композити – це перевірені, високоякісні термопласти. Спечені лазером нейлонові деталі мають щільність, близьку до 100%, і мають механічні властивості, які можна порівняти з тими, які створюються за допомогою традиційних методів виробництва, таких як лиття під тиском.

Складання свердла надруковано в Nylon PA 12. Нейлонові деталі можуть бути легко піддані подальшій обробці для досягнення гладкої, професійної обробки поверхні.

Нейлон SLS є чудовою заміною звичайним литьовим пластмасам. Він пропонує чудові живі петлі, клямки та інші механічні з'єднання порівняно з будь-якою іншою технологією виробництва добавок. Він ідеально підходить для функціональних застосувань, де потрібні пластмасові деталі, які працюватимуть у тих випадках, коли деталі, виготовлені іншими методами AM, згодом будуть руйнуватися і ставати крихкими.

Конкурентоспроможна вартість за частину

Розрахунок вартості на одну деталь зазвичай потребує обліку володіння обладнанням, матеріалів та витрат на робочу силу:

Володіння обладнанням: чим більше деталей може виготовити машина протягом терміну служби, тим нижчі витрати, пов'язані з кожною окремою деталлю. Отже, більш висока продуктивність призводить до зниження вартості володіння обладнанням частинами. Враховуючи високу швидкість сканування лазера, вкладення деталей для максимізації складальної ємності та просту подальшу обробку, SLS пропонує найвищу продуктивність та продуктивність серед усіх технологій виготовлення пластикових добавок.

Матеріал. Хоча у більшості технологій 3D-друку використовуються фірмові матеріали, нейлон є звичайним термопластом, що виробляється у великих кількостях для промислових цілей, що робить його одним із найменш дорогих сировинних матеріалів для адитивного виробництва. Крім того, відсутність опорних конструкцій та багаторазового порошку означає, що SLS виробляє мінімальні відходи.

Праця: Ахіллесова п'ята багатьох рішень 3D-друку – праця. Більшість процесів мають складні робочі процеси, які важко автоматизувати, що може суттєво вплинути на вартість однієї деталі. Простий робочий процес постобробки SLS означає, що потрібно менше.

Скорочені цикли розробки продукту

Селективне лазерне спікання дозволяє інженерам створювати прототипи деталей на початку циклу проектування, а потім використовувати ті ж самі машини та матеріали для виробництва деталей для кінцевого використання. SLS не вимагає такого ж дорогого та трудомісткого інструменту, як традиційне виробництво, тому прототипи деталей та вузлів можуть бути протестовані та легко модифіковані протягом кількох днів. Це різко скорочує час розробки товару.

Враховуючи низьку вартість з розрахунку на одну деталь та надійні, довговічні матеріали, SLS є економічним способом виробництва складних, нестандартних деталей або серії невеликих компонентів для кінцевих продуктів. У багатьох випадках SLS є економічно ефективною альтернативою ливарному пресуванню для обмеженого виробництва або виготовлення мостів.

Оригінал статті Ви можете вивчити на офіційному сайті Formlabs.