Селективное лазерное спекание (SLS) - это технология аддитивного производства (AM), в которой используется лазер для спекания порошка в твердую структуру на основе трехмерной модели. SLS - популярный выбор для инженеров в разработке продуктов на протяжении десятилетий. Низкая стоимость, высокая производительность, делают технологию идеальной для целого ряда применений от функционального прототипирования до мелкосерийного производства .
Недавние достижения в области машин, материалов и программного обеспечения сделали SLS доступной для более широкого круга предприятий, что позволяет все большему числу компаний использовать инструменты, ранее ограниченные несколькими высокотехнологичными отраслями.
В этом обширном руководстве мы расскажем о процессе селективного лазерного спекания, о различных системах и материалах, доступных на рынке, и о том, когда стоит рассмотреть возможность использования селективного лазерного спекания по сравнению с другими аддитивными и традиционными методами производства.
Происхождение SLS
Селективное лазерное спекание (SLS) было одной из первых технологий аддитивного производства, разработанных в середине 1980-х годов доктором Карлом Деккардом и доктором Джо Биманом в Техасском университете в Остине. С тех пор их метод был адаптирован для работы с различными материалами, включая пластмассы, металлы, стекло, керамику и порошки различных композиционных материалов. Сегодня эти технологии совместно классифицируются как процессы плавления в порошковом слое - аддитивные производственные процессы, с помощью которых тепловая энергия избирательно плавит участки порошкового слоя.
На сегодняшний день две наиболее распространенные системы плавления в порошковом слое - на основе пластика, обычно называемые SLS, и на основе металла, известные как прямое лазерное спекание металла (DMLS) или селективное лазерное плавление (SLM). До недавнего времени обе эти системы были чрезмерно дорогими и сложными, ограничивая их использование небольшими количествами дорогостоящих или нестандартных деталей, таких как аэрокосмические компоненты или медицинские устройства.
Инновации в этой области выросли в последнее время, и SLS на основе пластика в настоящее время готово следовать другим технологиям 3D-печати, таким как стереолитография (SLA) и плавление пластикового прутка (FDM), чтобы получить широкое распространение с доступными компактными системами.
Как работает SLS
В 3D-принтерах SLS используется мощный лазер для плавления мелких частиц полимерного порошка.
Процесс печати
Порошок диспергируется тонким слоем на верхней части платформы внутри рабочей камеры.Принтер предварительно нагревает порошок до температуры чуть ниже температуры плавления сырья. Это позволяет лазеру повышать температуру определенных областей порошкового слоя, поскольку он отслеживает модель для затвердевания детали. Лазер сканирует поперечное сечение 3D-модели, нагревая порошок чуть ниже или ниже точки плавления материала. Это механически соединяет частицы вместе, чтобы создать одну твердую часть. Нерасплавленный порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специальных опорных конструкциях.Платформа опускается на один слой в сборочную камеру, как правило, между 50 и 200 микронами, и устройство для повторного нанесения наносит новый слой порошка сверху. Затем лазер сканирует следующее поперечное сечение сборки.Этот процесс повторяется для каждого слоя до тех пор, пока детали не будут завершены, а готовые детали будут постепенно остывать внутри принтера.После охлаждения деталей оператор извлекает сборочную камеру из принтера и переносит ее на станцию очистки, отделяя напечатанные части и удаляя излишки порошка.
Восстановление части и постобработка
Постобработка селективного лазерного спекания требует минимальных затрат времени и труда и приводит к последовательным результатам для партий многих деталей.
После выполнения задания на печать готовые детали необходимо извлечь из сборочной камеры, отделить и очистить от избытка порошка. Этот процесс обычно выполняется вручную на станции очистки с использованием сжатого воздуха или бластера.
Детали SLS имеют слегка шероховатую, зернистую поверхность прямо из принтера, как наждачная бумага со средней зернистостью. Нейлон предоставляет ряд возможностей для последующей обработки, таких как кручение, крашение, окраска, эмалирование в печи, металлическое покрытие, склеивание, порошковое покрытие и флокирование.
Восстановление Материала
Любой избыток порошка фильтруется для удаления более крупных частиц и может быть переработан. Неиспользованный порошок слегка разлагается под воздействием высоких температур, поэтому его следует обновить новым материалом для последующих заданий печати. Эта способность повторно использовать материал для последующих работ делает SLS одним из наиболее экономичных методов производства.
Типы систем SLS
Все системы селективного лазерного спекания построены вокруг процесса, описанного выше. Основными отличительными особенностями являются тип лазера и размер объема печати. В разных системах используются разные решения для контроля температуры, распределения порошка и осаждения слоев.
Селективное лазерное спекание требует высокого уровня точности и жесткого контроля. Температура порошка вместе с (неполными) деталями должна контролироваться в пределах 2 ° C во время трех стадий предварительного нагрева, спекания и хранения перед удалением, чтобы минимизировать коробление, напряжения и деформацию, вызванную теплом.
Промышленные SLS
Промышленные SLS используются для многочисленных применений, от запчастей для крупнейшего в мире производителя грузовиков до одежды с индивидуальной печатью. Самые большие системы могут печатать детали длиной 1 метр.
В промышленных системах SLS используется один или несколько мощных лазеров на углекислом газе. Чем больше объем сборки, тем сложнее система. Промышленным SLS требуется инертная среда - азот или другие газы - для предотвращения окисления и разложения порошка. Таким образом, промышленное селективное лазерное спекание требует специального оборудования для обработки воздуха. Эти системы также требуют промышленного питания; даже самым маленьким промышленным машинам требуется пространство для установки не менее 10 м².
Настольный SLS
Системы Benchtop SLS (например, Formlabs Fuse) обеспечивают производительность, сопоставимую с промышленными системами, в более компактной, управляемой форме.
Настольные системы используют диодный или волоконный лазер вместо CO2-лазеров, используемых промышленными системами, для обеспечения равного качества луча при меньших затратах.
Меньший объем сборки настольной машины требует меньшего нагрева. Поскольку порошок подвергается воздействию повышенных температур в течение более короткого периода времени, нет необходимости в инертных газах и специальном оборудовании для обработки воздуха. Общее меньшее энергопотребление позволяет настольным системам работать на стандартной мощности переменного тока без специализированной инфраструктуры.
В целом, настольные системы предлагают немного меньший объем сборки и более медленную скорость по сравнению с наименьшими промышленными системами SLS, в обмен на существенно меньшую площадь и более низкую стоимость.
Сравнение систем SLS
Нейлон: материал для прототипирования и производства
Самым распространенным материалом для селективного лазерного спекания является нейлон, популярный инженерный термопласт, любимый своими легкими, прочными и гибкими свойствами. Нейлон устойчив к ударам, химикатам, теплу, ультрафиолету, воде и грязи.
Нейлон - это синтетический термопластичный полимер, который принадлежит к семейству полиамидов. Его две версии, обычно используемые для селективного лазерного спекания, - это нейлон 11 и 12 или PA11 и PA12.
PA - это сокращение от полиамида, а цифры представляют количество атомов углерода в материале. Оба материала схожи по свойствам, PA11 немного более эластичен и ударопрочен, тогда как PA12 более прочный, более износостойкий и биосовместимый.
SLS Нейлоновые Свойства Материала
Нейлон 11 и 12 являются однокомпонентными порошками, но в 3D-принтерах SLS также могут использоваться двухкомпонентные порошки, такие как порошки с покрытием или порошковые смеси. Нейлоновые композиты с алюминидом, углеродом или стеклом разработаны для оптимизации деталей с целью повышения их прочности, жесткости или гибкости. В этих двухкомпонентных порошках спекается только компонент с более низкой температурой стеклования, связывающий оба компонента.
Почему выбирают SLS?
Инженеры выбирают селективное лазерное спекание за его свободу проектирования, высокую производительность и пропускную способность, низкую стоимость за деталь и проверенный послужной список.
Свобода дизайна
Большинство процессов аддитивного производства, таких как стереолитография (SLA) и моделирование с наплавкой (FDM), требуют специализированных опорных конструкций для изготовления конструкций с нависающими элементами.
Для селективного лазерного спекания не требуются опорные конструкции, поскольку неокрашенный порошок окружает детали во время печати. SLS может создавать ранее невозможные геометрии, такие как блокировка или перемещение деталей, детали с внутренними компонентами или каналами и другие очень сложные конструкции.
Обычно инженеры проектируют детали с учетом возможностей конечного производственного процесса, также известного как DFM. Когда аддитивное производство используется только для создания прототипов, оно ограничивается деталями и конструкциями, которые обычные производственные инструменты могут в конечном итоге воспроизвести в процессе производства.
Поскольку селективное лазерное спекание становится жизнеспособным методом производства для растущего числа областей применения, оно может открыть новые возможности для проектирования и конструирования. SLS может печатать сложные проекты в одном отпечатке, который обычно требует нескольких частей. Это помогает облегчить слабые швы и сократить время сборки.
Селективное лазерное спекание может полностью использовать потенциал генеративного дизайна, позволяя создавать легкие конструкции, в которых используются сложные решетчатые конструкции, которые невозможно изготовить традиционными методами.
Высокая производительность и пропускная способность
SLS - это самая быстрая технология аддитивного производства для функциональных, долговечных прототипов и деталей для конечного использования. Лазеры, которые расплавляют порошок, имеют гораздо более высокую скорость сканирования и являются более точными, чем методы осаждения слоев, используемые в других процессах, таких как промышленное FDM.
Во время печати можно плотно расположить несколько частей, чтобы максимизировать доступное пространство для сборки на каждой машине. Операторы используют программное обеспечение для оптимизации каждой сборки и максимальной производительности, оставляя лишь минимальный зазор между деталями.
Детали могут быть добавлены в сборку, когда печать уже выполняется. Это дает возможность вносить изменения в конструкцию в последнюю минуту или добавлять последовательные итерации прототипа.
Проверенные, долговечные материалы
Ключом к функциональности и универсальности SLS 3D-печати является материал. Нейлон и его композиты - это проверенные, высококачественные термопласты. Спеченные лазером нейлоновые детали имеют плотность, близкую к 100%, и имеют механические свойства, сравнимые с теми, которые создаются с помощью традиционных методов производства, таких как литье под давлением.
Нейлон SLS является отличной заменой обычным литьевым пластмассам. Он предлагает превосходные живые петли, защелки и другие механические соединения по сравнению с любой другой технологией производства добавок. Он идеально подходит для функциональных применений, где требуются пластмассовые детали, которые будут работать в тех случаях, когда детали, изготовленные другими методами AM, будут со временем разрушаться и становиться хрупкими.
Конкурентоспособная стоимость за часть
Расчет стоимости на одну деталь обычно требует учета владения оборудованием, материалов и затрат на рабочую силу:
Владение оборудованием: чем больше деталей может изготовить машина в течение срока службы, тем ниже затраты, связанные с каждой отдельной деталью. Следовательно, более высокая производительность приводит к снижению стоимости владения оборудованием по частям. Учитывая высокую скорость сканирования лазера, вложение деталей для максимизации сборочной емкости и простую последующую обработку, SLS предлагает высочайшую производительность и производительность среди всех технологий изготовления пластиковых добавок.
Материал. Хотя в большинстве технологий 3D-печати используются фирменные материалы, нейлон является обычным термопластом, производимым в больших количествах для промышленных целей, что делает его одним из наименее дорогих сырьевых материалов для аддитивного производства. Кроме того, отсутствие опорных конструкций и многоразового порошка означает, что SLS производит минимальные отходы.
Труд: Ахиллесова пята многих решений 3D-печати - труд. Большинство процессов имеют сложные рабочие процессы, которые трудно автоматизировать, что может существенно повлиять на стоимость одной детали. Простой рабочий процесс постобработки SLS означает, что требуется меньше труда.
Сокращенные циклы разработки продукта
Селективное лазерное спекание позволяет инженерам создавать прототипы деталей в начале цикла проектирования, а затем использовать те же машины и материалы для производства деталей для конечного использования. SLS не требует такого же дорогостоящего и трудоемкого инструмента, как традиционное производство, поэтому прототипы деталей и узлов могут быть протестированы и легко модифицированы в течение нескольких дней. Это резко сокращает время разработки продукта.
Учитывая низкую стоимость в расчете на одну деталь и надежные, долговечные материалы, SLS является экономичным способом производства сложных, нестандартных деталей или серии небольших компонентов для конечных продуктов. Во многих случаях SLS является экономически эффективной альтернативой литьевому прессованию для ограниченного производства или изготовления мостов.
Оригинал статьи Вы можете изучить на официальном сайте Formlabs.