Селективное лазерное спекание - Selective laser sintering

Информацию о 3D-печати металлом см. В разделе Выборочное лазерное плавление .
Станок SLS используется в Centro de Pesquisas Renato Archer в Бразилии .

Селективное лазерное спекание ( SLS ) - это метод аддитивного производства (AM), который использует лазер в качестве источника энергии для спекания порошкового материала (обычно нейлона или полиамида ), автоматически направляя лазер в точки в пространстве, определяемые 3D-моделью , связывая материал. вместе, чтобы создать прочную структуру. Это похоже на селективное лазерное плавление ; это два экземпляра одной и той же концепции, но отличаются техническими деталями. SLS (как и другие упомянутые методы AM) - относительно новая технология, которая до сих пор в основном использовалась для быстрого прототипирования и мелкосерийного производства комплектующих. Производственные роли расширяются по мере улучшения коммерциализации технологии AM.

История

Селективное лазерное спекание (SLS) было разработано и запатентовано доктором Карлом Декардом и научным руководителем доктором Джо Биманом в Техасском университете в Остине в середине 1980-х годов при спонсорской поддержке DARPA . Декард и Биман были вовлечены в создание новой компании DTM, созданной для проектирования и производства машин SLS. В 2001 году компания 3D Systems, крупнейший конкурент технологий DTM и SLS, приобрела DTM. Последний патент на технологию SLS компании Deckard был выдан 28 января 1997 г., срок его действия истек 28 января 2014 г.

Аналогичный процесс был запатентован, но не получил коммерческой реализации компанией RF Housholder в 1979 году.

Поскольку SLS требует использования мощных лазеров, его использование в домашних условиях зачастую слишком дорого, не говоря уже о том, что возможно слишком опасно. Стоимость и потенциальная опасность SLS-печати означает, что внутренний рынок SLS-печати не так велик, как рынок других технологий аддитивного производства, таких как Fused Deposition Modeling (FDM).

Технология

Технология аддитивного производства слоев SLS включает использование мощного лазера (например, углекислотного лазера ) для сплавления небольших частиц пластмассового , металлического , керамического или стеклянного порошка в массу, имеющую желаемую трехмерную форму. Лазер избирательно плавит порошковый материал путем сканирования поперечных сечений, созданных на основе трехмерного цифрового описания детали (например, из файла САПР или данных сканирования) на поверхности порошкового слоя. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка опускается на один слой, сверху наносится новый слой материала, и процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет завершена.

Селективный процесс лазерного спекания
1 Лазер 2 Система сканирования 3 Система подачи порошка 4 Поршень подачи порошка 5 Ролик 6 Рабочий поршень 7 Производственный слой порошка 8 Изготовляемый объект (см. Вставку) A Направление сканирования лазера B Частицы спеченного порошка (коричневое состояние) C Лазерный луч D Лазерное спекание E Предварительно нанесенный слой порошка (зеленое состояние) F Не спеченный материал в предыдущих слоях

Поскольку плотность готовой детали зависит от пиковой мощности лазера, а не от продолжительности лазера, в аппарате SLS обычно используется импульсный лазер . Установка SLS предварительно нагревает сыпучий порошковый материал в порошковом слое несколько ниже его точки плавления, чтобы лазеру было легче поднять температуру выбранных областей до точки плавления.

В отличие от SLA и FDM, которые чаще всего требуют специальных опорных конструкций для изготовления нависающих конструкций, SLS не нуждается в отдельном питателе для опорного материала, потому что конструируемая деталь все время окружена неспеченным порошком. Это позволяет создавать ранее невозможные геометрические формы. Кроме того, поскольку камера машины всегда заполнена порошковым материалом, изготовление нескольких деталей оказывает гораздо меньшее влияние на общую сложность и цену конструкции, потому что с помощью метода, известного как `` вложение '', когда несколько деталей могут быть расположены так, чтобы соответствовать друг другу. границы машины. Однако один аспект конструкции, который следует учитывать, заключается в том, что с помощью SLS «невозможно» изготовить полый, но полностью закрытый элемент. Это связано с тем, что неспеченный порошок внутри элемента нельзя было слить.

Поскольку срок действия патентов начал истекать, стали доступны доступные домашние принтеры, но процесс нагрева по-прежнему является препятствием, поскольку потребляемая мощность достигает 5 кВт, а температуру необходимо контролировать в пределах 2 ° C для трех этапов предварительного нагрева и плавления. и хранение перед удалением. [1]

Материалы

Качество печатных структур зависит от различных факторов, включая свойства порошка, такие как размер и форма частиц, плотность, шероховатость и пористость. Кроме того, распределение частиц и их термические свойства сильно влияют на сыпучесть порошка.

Коммерчески доступные материалы, используемые в SLS, бывают в форме порошка и включают, помимо прочего, полимеры, такие как полиамиды (PA), полистиролы (PS), термопластические эластомеры (TPE) и полиарилэфиркетоны (PAEK). Полиамиды являются наиболее часто используемыми материалами SLS из-за их идеального поведения при спекании в качестве полукристаллического термопласта , что приводит к деталям с желаемыми механическими свойствами. Поликарбонат (ПК) представляет большой интерес для SLS из-за его высокой прочности, термической стабильности и огнестойкости; однако такие аморфные полимеры, обработанные SLS, имеют тенденцию приводить к деталям с ухудшенными механическими свойствами, точностью размеров и, таким образом, ограничены приложениями, где они не имеют большого значения. Металлические материалы обычно не используются в SLS с момента развития селективного лазерного плавления .

Производство порошков

Частицы порошка обычно производятся путем криогенного измельчения в шаровой мельнице при температурах значительно ниже температуры стеклования материала, чего можно достичь, запустив процесс измельчения с добавлением криогенных материалов, таких как сухой лед (сухое измельчение) или смеси жидкостей. азот и органические растворители (мокрый помол). В результате процесса могут быть получены частицы сферической или неправильной формы диаметром всего пять микрон . Гранулометрический состав порошка обычно гауссовский и находится в диапазоне от 15 до 100 микрон в диаметре, хотя его можно настроить для соответствия разной толщине слоя в процессе SLS. Покрытия с химическим связующим могут быть нанесены на порошковые поверхности после обработки; эти покрытия способствуют процессу спекания и особенно полезны для формирования деталей из композиционных материалов, таких как частицы оксида алюминия, покрытые термореактивной эпоксидной смолой .

Механизмы спекания

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

Спекание в SLS в основном происходит в жидком состоянии, когда частицы порошка образуют слой микроплавкого расплава на поверхности, что приводит к снижению вязкости и образованию вогнутой радиальной перемычки между частицами, известной как сужение, из-за реакции материала на понизить его поверхностную энергию. В случае порошков с покрытием цель лазера - расплавить поверхностное покрытие, которое будет действовать как связующее. Спекание в твердом состоянии также является фактором, хотя и в гораздо меньшей степени, и происходит при температурах ниже температуры плавления материала. Основной движущей силой этого процесса снова является реакция материала на понижение состояния свободной энергии, что приводит к диффузии молекул через частицы.

Приложения

Технология SLS широко используется во многих отраслях промышленности по всему миру из-за ее способности легко создавать сложные геометрические формы с минимальными дополнительными производственными усилиями или без них. Чаще всего он применяется в прототипах деталей на ранних этапах цикла проектирования, таких как модели для литья по выплавляемым моделям, автомобильное оборудование и модели аэродинамической трубы . SLS также все чаще используется в ограниченном производстве для производства деталей конечного использования для аэрокосмического, военного, медицинского, фармацевтического и электронного оборудования. В цехе SLS можно использовать для быстрого изготовления оснастки, приспособлений и приспособлений . Поскольку этот процесс требует использования лазера и другого дорогостоящего и громоздкого оборудования, он не подходит для личного или домашнего использования; однако он нашел применение в искусстве [ссылка художника EOS с изображениями].

Преимущества

  • Слой из спеченного порошка полностью самонесущий, что позволяет:
    • большие углы нависания (от 0 до 45 градусов от горизонтальной плоскости)
    • сложные геометрические формы, глубоко встроенные в детали, такие как конформные каналы охлаждения
    • серийное производство нескольких деталей, созданных в трехмерных массивах, процесс, называемый раскладкой.
  • Детали обладают высокой прочностью и жесткостью.
  • Хорошая химическая стойкость
  • Различные возможности отделки (например, металлизация, эмаль для печей, вибрационное шлифование, окраска ванн, склеивание, порошок, покрытие, флокирование)
  • Биосовместимость согласно EN ISO 10993-1 и USP / уровень VI / 121 ° C
  • Сложные детали с внутренними компонентами могут быть построены без захвата материала внутри и изменения поверхности после снятия опоры.
  • Самый быстрый процесс аддитивного производства для печати функциональных, долговечных, 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 имеют пористую поверхность; они могут быть запечатаны несколькими различными методами последующей обработки, такими как цианоакрилатные покрытия или горячее изостатическое прессование .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки