Sinterizzazione laser selettiva

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è una tecnica di produzione additiva (AM) che utilizza un laser come fonte di energia per sinterizzare il materiale in polvere (tipicamente nylon / poliammide), puntando il laser automaticamente nei punti nello spazio definiti da un modello 3D, legando il materiale insieme per creare una struttura solida. È simile alla sinterizzazione laser diretta (DMLS); le due sono istanze dello stesso concetto ma differiscono nei dettagli tecnici. La fusione laser selettiva (SLM) utilizza un concetto paragonabile, ma in SLM il materiale è completamente fuso anziché sinterizzato, consentendo diverse proprietà (struttura cristallina, porosità e così via). SLS (così come le altre tecniche AM citate) è una tecnologia relativamente nuova che finora è stata principalmente utilizzata per la prototipazione rapida e per la produzione di componenti a basso volume. I ruoli di produzione si stanno espandendo man mano che la commercializzazione della tecnologia AM migliora.

Descrizione
La sinterizzazione laser è un processo di stratificazione generativo: il pezzo da lavorare viene costruito strato dopo strato. Mediante l’azione dei raggi laser è possibile generare geometrie tridimensionali con sottosquadri, pezzi da lavorare che non possono essere prodotti nella produzione meccanica o di fusione convenzionale.

A causa dell’elevata complessità meccanica e in particolare del tempo di processo dipendente dal volume generato (che può essere nel range di ore, e in parti grandi con requisiti di precisione di giorni), i metodi sono utilizzati soprattutto per la produzione di prototipi e un piccolo numero di parti complicate. La tendenza, tuttavia, è quella di utilizzare la tecnologia come metodo di produzione rapida o rapida per la produzione rapida di utensili e componenti funzionali.

Il prerequisito di base è che i dati geometrici del prodotto siano disponibili in tre dimensioni e trattati come dati di livello. Nella produzione tradizionale di stampi per colata, un modello di fusione deve prima essere prodotto dai dati geometrici, che u. un. la diminuzione del metallo di raffreddamento e altri requisiti tecnici di fusione sono presi in considerazione. Per la sinterizzazione laser, d’altra parte, numerosi strati vengono generati dai dati CAD esistenti del componente (di solito in formato STL) mediante il cosiddetto “slicing”.

Di solito un laser utilizza un laser CO 2, un laser Nd: YAG o un laser a fibra. Il materiale in polvere è una plastica, una sabbia per modellare rivestita di plastica, una polvere di metallo o di ceramica.

La polvere viene applicata a una piattaforma di costruzione con l’aiuto di una racla o rullo su tutta la superficie in uno spessore da 1 a 200 micron. Gli strati vengono successivamente sinterizzati o fusi nel letto di polvere innescando il raggio laser in base al contorno dello strato del componente. La piattaforma di costruzione ora è leggermente abbassata e un nuovo livello generato. La polvere viene fornita sollevando una piattaforma di polvere o come scorta nel tergipavimento. L’elaborazione viene eseguita strato per strato in direzione verticale, quindi è possibile creare anche profili sottosquadro. L’energia fornita dal laser viene assorbita dalla polvere e produce una sinterizzazione localizzata delle particelle con riduzione della superficie totale.

Nel caso delle polveri plastiche utilizzate, è consuetudine non produrle mediante macinazione, ma polimerizzare direttamente come perle, poiché nel processo sono richieste molto elevate sulla natura di tali. Poiché viene fornita la scorrevolezza della polvere utilizzata.

Uno dei principali vantaggi di SLS è che elimina le strutture di supporto richieste da molti altri metodi di prototipazione rapida. Il componente è sempre supportato durante la sua formazione dalla polvere circostante. Alla fine del processo, la polvere rimanente può quindi essere semplicemente eliminata e parzialmente riutilizzata per la corsa successiva. Al momento non è possibile riutilizzare completamente, specialmente con le polveri di plastica, poiché perdono qualità attraverso il processo.

Una forma speciale per la produzione di microstrutture è la micro sinterizzazione laser sviluppata presso il Laser Institute della University of Applied Sciences Mittweida. Questo è un Q-switchedLaser usato con impulsi brevi. Il processo può avvenire sia in una camera a vuoto, attraverso cui possono essere processate anche nanopolveri, sia sotto gas protettivo o, nel caso di metalli speciali, sotto aria. Una caratteristica costruttiva è l’anello medico brevettato in tutto il mondo, con l’aiuto di cui anche strati di polvere estremamente sottili possono essere avvolti con precisione. Usando più squeegee si possono generare livelli alternati e gradiente. La risoluzione del metodo è nella gamma micron rispetto agli spessori di strato realizzabili e in aree simili rispetto ai dettagli della geometria riproducibile. Per un breve periodo è possibile la lavorazione di polveri ceramiche di alta qualità. Pertanto, con il metodo sono stati generati anche intarsi dentali in ceramica.

Storia
La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è stata sviluppata e brevettata dal Dr. Carl Deckard e dal consulente accademico, il Dr. Joe Beaman dell’Università del Texas ad Austin, a metà degli anni ’80, con il patrocinio di DARPA. Deckard e Beaman sono stati coinvolti nella start-up DTM, creata per progettare e costruire le macchine SLS. Nel 2001, 3D Systems, il più grande concorrente di DTM e SLS tec hnology, ha acquisito il DTM. Il brevetto più recente relativo alla tecnologia SLS di Deckard è stato emesso il 28 gennaio 1997 ed è scaduto il 28 gennaio 2014.

Un processo simile fu brevettato senza essere commercializzato da R. F. Housholder nel 1979.

Poiché SLS richiede l’uso di laser ad alta potenza, spesso è troppo costoso, per non parlare del fatto che potrebbe essere pericoloso, da utilizzare in casa. La spesa e il potenziale pericolo della stampa SLS significa che il mercato nazionale della stampa SLS non è grande come il mercato per altre tecnologie di produzione additiva, come Fused Deposition Modeling (FDM).

Principio
I prototipi SLS sono realizzati con materiali in polvere che vengono selettivamente sinterizzati (riscaldati e fusi) da un laser ad alta potenza.

La macchina è costituita da una camera di costruzione su un pistone di produzione, circondata a sinistra ea destra da due pistoni che forniscono la polvere, un potente laser e un rullo per distribuire la polvere. La camera deve essere mantenuta a una temperatura costante per evitare deformazioni.

Il processo inizia con un file CAD 3D che viene tagliato in sezioni 2D. Il pistone di produzione è sollevato al massimo mentre i pistoni che alimentano la polvere sono al loro punto più basso. Il rotolo distribuisce la polvere in uno strato uniforme su tutta la camera. Il laser traccia quindi la sezione 2D sulla superficie della polvere, quindi la sinterizza. Il pistone di produzione scende lo spessore di uno strato mentre uno dei pistoni di alimentazione di polvere aumenta (si alternano: una volta su due quello di sinistra). Un nuovo strato di polvere viene distribuito su tutta la superficie dal rotolo e il processo viene ripetuto fino al completamento del pezzo.

Il pezzo deve quindi essere rimosso con attenzione dalla macchina e pulito dalla polvere non sinterizzata che lo circonda.

Ci sono altre macchine in cui la polvere non viene dal basso grazie ai pistoni, ma dall’alto. Questo metodo consente di risparmiare tempo poiché non è necessario interrompere la produzione di parti per ricostituire la macchina per la polvere.

Se il pezzo è destinato alla fusione a cera persa, deve quindi essere infiltrato con cera per renderlo meno fragile. Dopo l’essiccazione, viene posto su un albero di stampaggio attorno al quale viene versata la ceramica. Quando quest’ultimo è duro, lo stampo viene posto in un forno, la cera si scioglie e si ottiene lo stampo desiderato. Resta da affondare un metallo fuso, lasciarlo raffreddare, rompere lo stampo, recuperare il pezzo, tagliare l’albero e trattare la superficie. Il pezzo finito è lì.

prospettiva
Vari metodi sono usati per aumentare la velocità di costruzione – il volume sinterizzato per unità di tempo. A tale scopo vengono utilizzate potenze laser superiori a 1 kW. Nella microsicurezza laser, un processo ad alta velocità è realizzato mediante deflessione del raggio ultraveloce, con velocità di deflessione di 150 m / s raggiunta sperimentalmente. Nello sviluppo, il processo è la sinterizzazione del fascio di elettroni. Qui vengono utilizzate potenze anche superiori fino a 10 kW. Ciò consente anche la lavorazione rapida di acciai ad alta resistenza, in particolare acciai per utensili.

Tecnologia
Una tecnologia di strato additivo di produzione, SLS comporta l’uso di un laser ad alta potenza (ad esempio un laser ad anidride carbonica) per fondere piccole particelle di plastica, metallo, ceramica o polveri di vetro in una massa che ha una forma tridimensionale desiderata. Il laser fonde selettivamente il materiale in polvere scansionando sezioni trasversali generate da una descrizione digitale 3D del pezzo (ad esempio da un file CAD o dati di scansione) sulla superficie di un letto di polvere. Dopo ogni scansione della sezione trasversale, il letto in polvere viene abbassato di uno spessore di strato, viene applicato un nuovo strato di materiale sulla parte superiore e il processo viene ripetuto fino al completamento della parte.

Poiché la densità della parte finita dipende dalla potenza del picco laser, piuttosto che dalla durata del laser, una macchina SLS utilizza tipicamente un laser a impulsi. La macchina SLS preriscalda il materiale in polvere sfuso nel letto di polvere alquanto al di sotto del suo punto di fusione, per rendere più facile al laser aumentare la temperatura delle regioni selezionate fino al punto di fusione.

In contrasto con alcuni altri processi di produzione additiva, come la stereolitografia (SLA) e la FED (fused deposition modeling), che spesso richiedono strutture di supporto speciali per fabbricare disegni sporgenti, SLS non ha bisogno di un alimentatore separato per il materiale di supporto perché la parte in costruzione è circondato da polvere non sinterizzata in ogni momento, questo consente la costruzione di geometrie precedentemente impossibili. Inoltre, poiché la camera della macchina è sempre piena di materiale in polvere, la fabbricazione di più parti ha un impatto molto inferiore sulla difficoltà e sul prezzo complessivi del design perché attraverso una tecnica nota come “nidificazione” si possono posizionare più parti per adattarsi ai limiti della macchina. Un aspetto del design che dovrebbe essere osservato è che con SLS è “impossibile” fabbricare un elemento vuoto ma completamente chiuso. Questo perché la polvere non sinterizzata all’interno dell’elemento non può essere drenata.

Da quando i brevetti hanno iniziato a scadere, sono diventate possibili stampanti domestiche a prezzi accessibili, ma il processo di riscaldamento è ancora un ostacolo, con un consumo energetico fino a 5 kW e temperature da controllare entro 2 ° C per le tre fasi di preriscaldamento, fusione e la conservazione prima della rimozione.

Materiali e applicazioni
Alcune macchine SLS utilizzano polvere monocomponente, ad esempio la sinterizzazione laser diretta del metallo. Le polveri sono comunemente prodotte dalla macinazione a palle. Tuttavia, la maggior parte delle macchine SLS utilizza polveri bicomponenti, tipicamente in polvere rivestita o in polvere. Nelle polveri monocomponenti, il laser fonde solo la superficie esterna delle particelle (fusione superficiale), fondendo le anime solide non fuse tra loro e con lo strato precedente.

Rispetto ad altri metodi di produzione additiva, SLS può produrre parti da una gamma relativamente ampia di materiali in polvere disponibili in commercio. Questi includono polimeri come nylon (pulito, riempito di vetro o con altri riempitivi) o polistirolo, metalli inclusi acciaio, titanio, miscele di leghe e materiali compositi e sabbia verde. Il processo fisico può essere pieno fusione, fusione parziale o sinterizzazione in fase liquida. A seconda del materiale, è possibile raggiungere una densità fino al 100% con proprietà del materiale paragonabili a quelle dei metodi di produzione convenzionali. In molti casi è possibile confezionare un numero elevato di parti all’interno del letto di polvere, consentendo una produttività molto elevata.

La tecnologia SLS è ampiamente utilizzata in tutto il mondo grazie alla sua capacità di creare facilmente geometrie complesse direttamente dai dati CAD digitali. Sebbene sia iniziato come un modo per costruire parti prototipiche nelle prime fasi del ciclo di progettazione, viene sempre più utilizzato nella produzione a ciclo limitato per produrre parti di uso finale. Un’applicazione meno attesa e in rapida crescita di SLS è il suo uso nell’arte.

Poiché SLS è in grado di produrre parti realizzate con un’ampia varietà di materiali (plastica, vetro, ceramica o metalli), sta rapidamente diventando un processo diffuso per la creazione di prototipi e persino di prodotti finali. SLS è stato sempre più utilizzato nell’industria in situazioni in cui sono necessarie piccole quantità di parti di alta qualità, come nel settore aerospaziale, dove SLS viene utilizzato più spesso per creare prototipi per aeromobili. Gli aerei sono spesso costruiti in piccole quantità e rimangono in servizio per decenni, quindi produrre stampi fisici per le parti diventa non redditizio, quindi SLS è diventata un’ottima soluzione.

Vantaggi vs. svantaggi

vantaggi
Un netto vantaggio del processo SLS è che poiché è completamente autosufficiente, consente di costruire parti all’interno di altre parti in un processo chiamato nesting – con una geometria altamente complessa che semplicemente non potrebbe essere costruita in altro modo.

Le parti possiedono un’elevata resistenza e rigidità

Buona resistenza chimica

Varie possibilità di finitura (ad es. Metallizzazione, smaltatura di stufe, macinazione vibratoria, colorazione di vasche, incollaggio, polvere, rivestimento, floccaggio)

Bio compatibile secondo EN ISO 10993-1 e USP / livello VI / 121 ° C

Parti complesse con componenti interni, canali, possono essere costruite senza intrappolare il materiale all’interno e alterare la superficie dalla rimozione del supporto.

Il processo di produzione additivo più veloce per la stampa di parti funzionali, durature, prototipo o utente finale.

Vasta varietà di materiali e caratteristiche di resistenza, durata e funzionalità, SLS offre materiali a base di nylon come soluzione a seconda dell’applicazione.

Grazie alle eccellenti proprietà meccaniche, il materiale viene spesso utilizzato per sostituire le tipiche materie plastiche per stampaggio a iniezione.

svantaggi
Le parti stampate SLS hanno una superficie porosa. Questo può essere sigillato applicando un rivestimento come cianoacrilato.