Селективное лазерное спекание (SLS - Selective Laser Sintering) - это метод аддитивного производства (AM), который использует лазер в качестве источника питания для спекания порошкообразного материала (обычно нейлона или полиамида), автоматически направляя лазер в точки в пространстве, определенные 3D-моделью, связывая материал вместе для создания твердой структуры. Это похоже на селективное лазерное плавление (SLM); оба они являются экземплярами одной и той же концепции, но отличаются техническими деталями. SLS (как и другие упомянутые методы AM)-это относительно новая технология, которая до сих пор в основном использовалась для быстрого прототипирования и для малообъемного производства комплектующих деталей. Производственные роли расширяются по мере улучшения коммерциализации технологии AM.

История

Селективное лазерное спекание (SLS) было разработано и запатентовано доктором Карлом Декардом и научным консультантом доктором Джо Биманом из Техасского университета в Остине в середине 1980-х годов при спонсорской поддержке DARPA. Декард и Биман были вовлечены в созданную в результате стартап-компанию DTM, созданную для проектирования и сборки машин SLS. В 2001 году компания 3D Systems, крупнейший конкурент технологий DTM и SLS, приобрела DTM. Последний патент на технологию SLS Декарт был выдан 28 января 1997 года и истек 28 января 2014 года.

Аналогичный процесс был запатентован без коммерциализации R. F. Housholder в 1979 году.

Поскольку SLS технология требует использования лазеров это сильно удорожает стоимость SLS 3D принтера, по сравнению с FDM технологией 3D печати. Затраты и более сложный процесс SLS-печати означают, что внутренний рынок SLS-печати не так велик, как рынок других технологий аддитивного производства, таких как печать расплавленной нитью (FDM).

Технология

Технология послойного выращивания модели (аддитивного производства), SLS включает использование лазера (например, лазера на углекислом газе или менне мощных светодиодных лазеров) для плавления мелких частиц пластмассовых, металлических, керамических или стеклянных порошков в массу, имеющую желаемую трехмерную форму. Лазер избирательно сплавляет порошкообразный материал путем сканирования поперечных сечений, полученных на основе трехмерного цифрового описания детали (например, из файла САПР или данных сканирования) на поверхности слоя порошка. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка опускается на толщину одного слоя, сверху наносится новый слой материала, и процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет завершена.

Поскольку плотность готовой детали зависит от пиковой мощности лазера, а не от продолжительности работы лазера, машина SLS обычно использует импульсный лазер. 3D принтер SLS предварительно нагревает сыпучий порошковый материал несколько ниже его температуры плавления, чтобы лазеру было легче нагреть выбранные области до точки плавления.

В отличие от SLA и FDM 3D принтеров, которые чаще всего требуют специальных опорных конструкций для 3D печати нависающих конструкций, SLS не нуждается в поддержке основного материала, поскольку создаваемая деталь все время окружена не сплавленным порошком. Это позволяет строить ранее невозможные геометрии. Кроме того, поскольку камера машины всегда заполнена порошковым материалом, изготовление нескольких деталей оказывает гораздо меньшее влияние на общую сложность и цену изделия, поскольку с помощью метода, известного как "Вложенность" (Nesting), когда несколько деталей могут быть расположены так, чтобы они вписывались в границы области печати SLS 3D принтера. Однако один из аспектов дизайна, который следует учитывать, заключается в том, что с SLS "невозможно" изготовить полый, но полностью закрытый элемент. Это происходит потому, что неиспользованный порошок внутри изделия не может быть "слит".

С тех пор как срок действия патентов истек, стали появляться более доступные SLS 3D принтеры, например SLS 3D принтер XYZprinting 230 xB или Sintratec Kit, последний является конструктором.

Материалы

Качество изделий, распечатанных на SLS 3D принтере, зависит от различных факторов, включая свойства порошка, такие как размер и форма частиц, плотность, шероховатость и пористость. Кроме того, распределение частиц и их тепловые свойства сильно влияют на текучесть порошка.

Коммерчески доступные материалы, используемые в SLS, выпускаются в виде порошка и включают, но не ограничиваются ими, такие полимеры, как полиамиды (PA), полистиролы (PS), термопластичные эластомеры (TPE) и полиарилэфиркетоны (PAEK). Полиамиды являются наиболее часто используемыми материалами SLS из-за их идеального поведения при спекании в качестве полукристаллического термопластика, в результате чего получаются детали с желаемыми механическими свойствами. Поликарбонат (ПК, PC ) является материалом, представляющим большой интерес для SLS из-за его высокой прочности, термостойкости и огнестойкости.

Производство порошка для SLS 3D принтеров

Частицы порошка обычно получают путем криогенного измельчения в шаровой мельнице при температурах значительно ниже температуры стеклования материала, которая может быть достигнута путем запуска процесса измельчения с добавлением криогенных материалов, таких как сухой лед (сухое измельчение) или смеси жидкого азота и органических растворителей (мокрое измельчение). Этот процесс может привести к образованию частиц сферической или неправильной формы диаметром до пяти микрон. Распределение частиц порошка по размерам обычно гауссово и колеблется от 15 до 100 мкм в диаметре, хотя это зависит от требований предъявляемые к SLS порошку, конкретным производителем SLS 3D принтеров. Химические связующие покрытия могут быть нанесены на поверхности порошка после процесса;] эти покрытия помогают в процессе спекания и особенно полезны для формирования деталей из композитных материалов.

Механизм спекания

Диаграмма, показывающая образование шейки в двух спеченных частицах порошка. Исходные формы показаны красным цветом.

Спекание в SLS технологии в основном происходит в жидком состоянии, когда частицы порошка образуют микроплавкий слой на поверхности, что приводит к снижению вязкости и образованию вогнутого радиального моста между частицами, известного как шейка, из-за поверхностного натяжения. В случае порошков с покрытием цель лазера состоит в том, чтобы расплавить поверхностное покрытие, которое будет действовать в качестве связующего. Твердотельное спекание также является способствующим фактором, хотя и с гораздо меньшим влиянием, и происходит при температурах ниже температуры плавления материала. Основной движущей силой этого процесса снова является реакция материала на нагрев, что приводит к диффузии молекул между частицами.

Диаграмма, показывающая образование шейки в двух спеченных частицах порошка. Исходные формы показаны красным цветом.

Преимущества 3D принтеров с технологией SLS

Спеченный порошковый слой полностью самонесущий, что позволяет:

·        высокие углы свеса (от 0 до 45 градусов от горизонтальной плоскости)

·        сложные геометрии,

·        встроенные глубоко в детали,

·        такие как конформные каналы охлаждения,

·        серийное производство нескольких деталей,

·        изготовленных в 3D-массивах, процесс, называемый «вложенностью» (Nesting)

Детали обладают высокой прочностью и жесткостью

Хорошая химическая стойкость

Различные возможности отделки (например, металлизация, эмалирование в печи, вибрационное шлифование, окрашивание в ванной, склеивание, порошковое покрытие, флокирование)

Биосовместимость в соответствии с EN ISO 10993-1[15] и USP/level VI/121 °C

Сложные детали с внутренними компонентами могут быть построены без захвата материала внутри и изменения поверхности от удаления опоры.

Самый быстрый процесс аддитивного производства для печати функциональных, прочных, прототипов или деталей конечного пользователя

Широкий выбор материалов с характеристиками прочности, долговечности и функциональности

Благодаря надежным механическим свойствам детали часто могут заменять типичные пластмассы для литья под давлением

Недостатки

Детали, изготовленные на SLS 3D принтере, имеют пористые поверхности; они могут быть герметизированы несколькими различными методами постобработки, такими как цианоакрилатные покрытия или горячим изостатическим прессованием (HIP).