3D-печать по технологии SLS: селективное лазерное спекание порошка

Технология 3Д печати SLS – это метод селективного лазерного спекания пластикового порошка, в результате чего формируется изделие в соответствии с заданной 3Д моделью. Данная технология стала особо популярной в инженерной отрасли. Готовые отпечатки характеризуются низкой себестоимостью, а сами 3Д принтеры имеют высокую производительность. Расходные материалы качественные, что позволяет получать прочные изделия, приближенные по своим свойствам к литым. Все это делает технологию SLS весьма популярной технологией для различных отраслей и задач, начиная функциональным прототипированием и заканчивая мелкосерийным производством.

Еще не так давно технология SLS не была доступна для широкого круга потребителей. Однако совершенствование оборудования и материалов в последние годы привели к революционным изменениям: селективное лазерное спекание стало доступным даже для домашнего использования, а не то что для целого круга предприятий. Таким образом, еще больше людей стали использовать высокотехнологичные продукты в своей деятельности и жизни.

Данный материал посвящен технологии селективного лазерного спекания, используемым в данной технологии печати материалам, системам. Кроме того мы рассмотрим особенности технологии, в сравнении с другими методами 3Д печати.

Немного истории…

Доктора наук Джо Биман и Карл Деккард в середине 80-х годов 20 века изобрели технологию лазерного спекания пластикового порошка. Можно сказать, что данная технология была одной из первых 3Д-печатных методов, увидевших свет. До настоящего времени произошло много новаций, и данная методика аддитивного производства была адаптирована под различные материалы. Речь идет о стекле, пластмассах, металлах, керамике и различных композитах.

Сейчас технология спекания лазером порошка доступна в двух вариациях. В первом случае лазер спекает пластиковый порошок – это технология SLS. Во втором случае спекается металлический порошок – это технологии DMLS и SLM. Принцип, заложенный в работу всех этих 3Д принтеров, один – лазер спекает или сплавляет материал. Разница заключается лишь в мощности используемого лазера, а также в том, что металлы при нагреве окисляются под действием кислорода, поэтому требуется создание особой среды (инертный газ, вакуум), предотвращающей это окисление и, соответственно, снижение прочностных характеристик.

Все вышеназванные технологии еще не так давно были весьма дорогостоящими, что сильно ограничивало их использование печатью дорогостоящих и нестандартных изделий. В большей степени они применялись в медицинской отрасли и аэрокосмической сфере. Сейчас все кардинально изменилось.

Технология SLS стала популярна, доступна и востребована наряду с прочими технологиями печати пластиком (SLA, DLP, FDM). Кроме того появились компактные настольные системы печати, которые также сделали SLS более востребованным.

Принцип работы SLS-принтера

В основе работы SLS принтера лежит плавление полимерного порошка при помощи мощного лазера. Процесс 3Д печати осуществляется следующим образом:

• В камере полимерный порошок нагревается до состояния близкого к плавлению.
• В верхней части рабочей камеры на печатную платформу порошок наносится тончайшим слоем.
• Лазером засвечивается поперечный слой модели в соответствии с программой. Частички прочно  между собой слипаются, и образуется твердый слой.
• Далее платформа опускается, и наносится новый слой материала. Величина слоя и, соответственно, толщина напыления материала, опускания платформы колеблется между 50-200микронами. И снова лазер засвечивает поперечный слой.
• Порошок, который не затвердел, в данном случае выступает в качестве поддержки, поэтому формирование опорных конструкций совершенно не требуется.
• Процесс опускания платформы, нанесения порошка и засвечивания слоя продолжается до тех пор, пока модель не будет завершена.
• Готовая модель сразу не извлекается, а постепенно остывает в сборочной камере.
• После охлаждения сборочная камера извлекается, модель вынимается, и в станции очистки удаляются излишки материала.

Процесс постобработки

Модели, которые были напечатаны методом селективного лазерного спекания, нуждаются в самой простой постобработке. Она заключается в удалении остатков порошка, что не требует серьезных и больших трудовых и материальных затрат.

Когда модели будут готовы и остынут, их извлекают из сборочной камеры, отделяют от порошка и очищают. Удаление порошка производится в камере при помощи сжатого воздуха, а порошок собирает пылесос. Это так называемая станция очистки. Порошок при этом может использоваться повторно.

Для изделий, напечатанных по технологии SLS характерна зернистая и шероховатая поверхность. Она не имеет глянца и напоминает мелкозернистую наждачную бумагу.

Нейлон – это материал, который позволяет обрабатывать готовые отпечатки по своему усмотрению: шлифование, окрашивание, эмалировка в печати, склеивание, флокирование, порошковая окраска, покрытие металлом.

Экономичность

Оставшийся после извлечения детали порошок просеивается для удаления крупных частиц и может использоваться заново. Таким образом, достигается экономия материала. Однако важно знать, что под действием высокой температуры часть порошка может частично разлагаться, поэтому его обязательно нужно смешать для повторного использования с новым. Но даже в этом случае в плане материалов SLS-технология является наименее затратной.

SLS-принтеры: основные виды

Все SLS-принтеры работают на основе одного и того же принципа, который был подробно расписан выше. Различия моделей заключаются в мощности лазера, его типе и объеме принтера. Системы также могут отличаться методом распределения порошка, контролем температуры, а также способом формирования слоя.

Технология весьма требовательна к точности и контролю. Они должны быть максимально жесткими. К примеру, температура порошка должна четко контролироваться и варьироваться в пределах 2 градусов от требуемой на данной этапе (предварительный нагрев порошка, непосредственно спекание в соответствии с моделью, постепенное остывание). Дело в том, что при несоблюдении температурного режима модель может деформироваться, покоробиться, могут возникнуть внутреннее напряжение.

Промышленные 3Д принтеры SLS

SLS-принтеры промышленного назначения получили широчайшее распространение. Они востребованы во многих сферах, начиная машиностроением, автомобилестроением, космической отраслью и заканчивая медициной и мелкосерийным производством. Есть габаритные системы, которые способны печатать модели, длина которых превышает 1м.

Промышленные принтеры в основном работают на одном или сразу нескольких углекислотных лазерах. Вполне логично, что чем больший будет объем сборки, тем более сложная система будет задействована.

Промышленные системы, в частности 3Д принтеры SLM, требуют использования инертной среды. Речь идет о наполнении камеры газом. Чаще всего это азот или иной инертный газ. Делается это для предотвращения окисления и последующего разложения используемого порошкового материала. По этой причине системы промышленного назначения включают в себя оборудование для обработки воздуха. Так как системы мощные, то им требуется и питание промышленного уровня. И любой промышленный принтер отличается большими габаритами. Даже самая небольшая система требует помещение, площадью не менее 10 кв.м.

Настольные устройства

Разработчики позаботились о том, чтобы технология получила и настольное исполнение, чтобы ею сумели воспользоваться все желающие. Так появились модели Benchtop SLS и Formlabs Fuse 1. Это SLS-принтеры, которые обладают высокой производительностью, сравнимой с промышленной, но при этом отличаются компактностью, небольшими габаритными размерами. Кроме того такие модели не требуют создания особой инфраструктуры и поэтому могут легко вписаться в любое рабочее пространство.

Настольные модели SLS-принтеров вместо углекислотных лазеров комплектуются диодными или оптоволоконными. Таким образом, получается стабильный луч при минимуме затрат.

Из-за того что объем сборки небольшой, то и нагрев требуется минимальный. А так как порошок находится в режиме нагрева недолго, то отсутствует необходимость в создании инертной среды. А это влечет за собой отсутствие необходимости в оборудовании обрабатывающем воздух. В результате всего этого система будет потреблять и меньше энергии, благодаря чему 3Д принтер может спокойно подключаться к обычной электросети.

Но настольный SLS-принтер – это не только меньший объем сборки, но и меньшая скорость печати. Из достоинств – мало занимаемого места и более дешевая цена.

SLS-системы: сравнительная характеристика.

Для удобства приведем сравнительную характеристику промышленных и настольных систем в виде таблицы:

Нейлон

Для технологии SLS наиболее востребованным и популярным материалом является нейлон. Этот термопласт инженерного назначения любим многими за высокие прочностные характеристики, гибкость и легкость. Нейлону свойственна стойкость к химическому воздействию, ударам, Ф-излучению, грязи и воде, а также нагреву.

Благодаря физико-химическим свойствам материал может использоваться практически повсеместно, начиная функциональными прототипами, потребительскими товарами и изделиями медицинского назначения.

Нейлон представляет собой термопласт синтетического происхождения, относящийся к семейству полиамидов. Существует две разновидности данного материала: PA11 и PA12, которые используются в SLS-печати. Данное обозначение означает полиамид, а цифровое значение соответствует числу атомов углерода в молекуле. Нейлон 11 является более гибким и ударопрочным. Нейлон 12 более прочный, износостойкий и биосовместимый. А по сути, материалы практически идентичны.

Сравнительная характеристика PA11 и PA12

PA11 и  PA12 – это однокомпонентные порошки. Однако в SLS-принтерах могут использоваться и двухкомпонентные материалы: с покрытием, смеси и т.д. С целью увеличения прочности и других свойств изделий разработаны композиты нейлона и других материалов (алюминий, стекло, углерод). Если используется двухкомпонентный материал, то спекаться будет тот компонент, который обладает меньшей точкой стеклования, он же будет связывать между собой компоненты.

Технология SLS: основные достоинства

Пользователи и инженеры по всему миру отдают предпочтение технологии селективного лазерного спекания благодаря целому ряду достоинств:

• высокая производительность;
• высокая пропускная способность;
• низкие затраты на деталь;
• свобода проектирования и дизайна.

В силу того что большинство известных технологий 3Д печати, таких как стереолитография, послойное наплавление, требуют использования поддерживающих структур  при печать сложных объектов, то это серьезно ограничивает их применение или делает по крайней мере более сложным.

Для SLS-печати опорные конструкции не нужны, так как в качестве опор выступает просто неиспользованный материал. Это позволяет создавать объекты любой степени сложности, даже те, которые ранее считались невозможными. Это могут быть детали, в которых внутри имеются каналы, компоненты и т.д. Конструкция может быть даже очень сложной.

Как правило, инженеры проектируют детали в соответствии с возможностями имеющегося производственного процесса. А так как SLS-печать таких ограничений как стандартные методы не имеет, то это открывает новые возможности для инженерных разработок. SLS-принтер может напечатать в одном изделии даже самую сложную геометрию. То есть за один раз можно напечатать изделие, которое могло быть создано другими аддитивными технологиями только из составных частей. Таким образом, можно избежать слабых мест, свойственных традиционной сборке.

Посредством лазерного спекания можно в полной мере использовать потенциал генеративного дизайна. К примеру, можно печатать легкие и сложные решетчатые конструкции, изготовление которых иными путями невозможно.

SLS славится высокой скоростью печати. Она используется для создания функциональных прототипов, характеризующихся долговечностью. Лазер, используемый для плавления порошка намного быстрее и точнее тех, что используются для засветки слоев в технологиях стереолитографии. Тем более они более точные и надежные, чем технология FDM.

За один процесс можно создать много деталей в полной мере используя рабочее пространство. Для этого нужно лишь равномерно и с оптимальной плотностью расположить детали в пространстве сборки. Для этого используются специальные программные средства, которые позволяют максимизировать пространство для конкретной машины. При минимальных зазорах производительность каждой машины увеличивается в разы.

Операторы в сборочной камере добиваются максимально возможной упаковки деталей. То есть в одну камеру упаковывают максимально возможное количество деталей. И это возможно еще и потому, что нет необходимости в опорных конструкциях, а соответственно, не требуется и сложная обработка в дальнейшем.

При этом детали можно добавить в сборку уже в процессе печати, благодаря чему любые изменения могут быть внесены в ходе работы, буквально в последнюю минуту.

Качественные и надежные расходники

Одно из достоинств SLS-технологии – это ее универсальность и функциональность. В этом свою немаловажную роль играет материал. В данной технологии в основном используется нейлон и его композиты. Эти материалы являются долговечными, практичными, универсальными и проверенными временем.

Изделий из спеченного лазером нейлона обладают практически 100% плотностью. А по своим свойствам они приближены к тем, которые созданы методом литья и другими традиционными способами производства.

На изображении приведена сборка для шуруповерта. Изделие напечатано из нейлона 12.

Чтобы поверхность была более гладкой, детали из нейлона могут подвергаться последующей обработке и даже отделке.

Нейлон, используемый в SLS-принтерах, может выступать в качестве превосходной альтернативы литьевым пластмассам. Его можно использовать в тех областях, где требуются детали из пластика, а также там, где стандартные пластики могут стать ветхими и разрушиться.