SLS (Selective Laser Sintering) – селективное лазерное спекание, одна из наиболее широко применяемых аддитивных технологий . Принцип действия SLS заключается в точечном спекании пластиковых порошков с разными компонентами лазерным лучом. Также существуют машины, которые спекают порошковый металл – эта технология 3D-печати металлом устарела, но еще применяется. Мощность луча в производственных 3D-принтерах варьируется от 30 до 200 ватт.

Метод был создан в середине 1980-х в Техасском университете в Остине Карлом Декардом и Джо Биманом. В 1989 году изобретение запатентовала основанная Декардом фирма DTM Corporation, которую впоследствии приобрела компания . В недрах последней была создана еще одна фундаментальная аддитивная технология – это лазерная стереолитография (SLA-печать). Этот факт, несомненно, сыграл свою роль в укреплении лидирующих позиций компании в индустрии трехмерной печати. SLS-установки, выпускаемые 3D Systems, представляют собой наиболее передовые решения на рынке.

Процесс селективного лазерного спекания

1. Технологический процесс начинается с разогревания материала до температуры, близкой к температуре плавления, что обеспечивает более быструю работу порошкового 3D-принтера .
2. Порошок подается в камеру построения и разравнивается валиком на толщину минимального слоя материала.
3. Лазерный луч спекает слои порошка в необходимых участках, совпадающих с сечением 3D-модели.
4. Подается следующий слой порошка, камера построения опускается на уровень ниже.
5. Процедура повторяется, пока не получится готовое изделие.

Работающие по технологии SLS, имеют гибкие настройки. В зависимости от поставленных задач регулируются такие параметры, как температура, глубина и время воздействия. Также пользователь может задать работу либо только с переходными границами, либо спекание по всей глубине модели.

По завершении процесса построения может потребоваться финишная обработка. Для придания изделию идеально ровной формы выполняют полировку или шлифовку. Однако по мере усовершенствования технологий потребность в постобработке изделий, изготовленных на SLS-принтерах, становится все менее актуальной.

Технология 3D-печати по технологии SLS широко применяется в следующих отраслях:

• авиакосмическая промышленность;
• машиностроение;
• строительство;
• архитектура, искусство, дизайн;
• инженерная отрасль.

Селективное лазерное спекание используется при изготовлении:

• функциональных прототипов;
• продукции мелкосерийного производства;
• моделей для точного ;
• шлангов труб, прокладок, изоляционных шайб и других элементов в инженерии и строительстве;
• деталей силовых установок и многого другого.

Специфика и преимущества SLS-технологии

Особенность селективного лазерного спекания – в том, что для построения геометрически сложных деталей не используется материал поддержки . В роли поддерживающей структуры выступает порошок, не подвергшийся воздействию лазерного луча.

Материалы для 3D-печати по технологии SLS – пластиковые порошки с примесями, обладающие разными механическими свойствами. Широкий выбор материалов дает предприятиям, внедрившим SLS-технологию, дополнительную гибкость (подробнее – в разделе «Материалы для SLS-печати»).

Детали, созданные на SLS-установках 3D Systems

Отсутствие поддержек дает возможность моделировать сложнейшую геометрию (как внутренних элементов, так и целого изделия), которой нельзя добиться при создании изделий традиционными методами. Кроме того, исключается риск повреждения напечатанной детали. Как результат – значительная экономия времени на сборку и средств на материалы.

Еще одна важная выгода, которую дает технология, – большой объем камер построения . Это дает возможность напечатать достаточно крупные объекты или небольшую партию за одну сессию. Максимальный размер камеры, реализованный в 3D-принтере 3D Systems sPro 230, – 550 х 550 х 750 мм.

Технология обеспечивает высокую скорость печати . Поскольку она не предполагает полное расплавление частиц материала, SLS-установки более производительны, чем другие 3D-принтеры, работающие с порошками.

Модели и прототипы, созданные методом SLS, имеют превосходные механические характеристики : они отличаются прочностью, гибкостью, хорошей детализацией и термической стабильностью. не имеет себе равных, когда стоит задача изготовить долговечные пластиковые продукты. В плане прочности полученных изделий селективное лазерное спекание конкурирует с традиционными способами производства, такими как литье под давлением.

Как и у всех аддитивных технологий, у SLS-метода есть минусы. Во-первых, выращенные модели, как правило, требуют последующей обработки из-за шероховатой или пористой структуры. Во-вторых, предъявляются особые требования к помещению и условиям эксплуатации (главное – это фильтрация воздуха при кондиционировании, так как порошок вреден) . Наконец, как и в случае со всеми технологиями 3D-печати , это необходимость в крупных первоначальных инвестициях из-за высокой стоимости материалов и оборудования.

Материалы для SLS-печати

Благодаря широкому ассортименту технология SLS достаточно универсальна. Сюда входят однокомпонентные порошки или порошковые смеси из различных материалов, таких как:

• полимеры (в том числе , нейлон);
• металлы и сплавы (сталь, титан, драгоценные металлы, сплавы кобальта и хрома);
• композитные материалы;
• керамика;
• стекло;
• песчаные составы.

В 3D-принтерах 3D Systems используются материалы серии DuraForm, характеризующиеся высокой прочностью и долговечностью.

Перспективы развития технологии

Технология SLS изначально использовалась для быстрого прототипирования, но постепенно сфера ее применения расширялась. Селективное лазерное спекание показало отличные результаты при мелкосерийном изготовлении готовых изделий, мастер-моделей для литья и т.д.

Не так давно еще одним интересным направлением применения технологии стало изготовление предметов искусства. Технология продолжает развиваться: внедряются новые материалы, повышается мощность лазерного излучения, проводятся разработки по использованию нескольких материалов в одном технологическом процессе.

Профессиональные SLS-принтеры становятся производительнее, компактнее, проще в эксплуатации, при этом на рынке уже появились настольные модели, ориентированные на домашнее использование. Потенциал селективного лазерного спекания огромен, ведь этот метод открывает простор для реализации самых перспективных технических и творческих идей.

Принтер: EOSINT P395
Размер камеры: 340 х 340 х 620 мм
Толщина слоя: 120 мкм

Эта технология с одной стороны, кардинально отличается от метода послойного наплавления, с другой стороны, имеет много общего. Как и там, модель создается послойно на основе компьютерного описания. Однако ключевым принципом здесь является применение порошка, а не плавящейся нити. Порошок напыляется равномерным слоем по всей площади, после чего лазер запекает только те участки, которые соответствуют сечению модели на этом слое на этой высоте.

Метод был придуман группой студентов во главе с доктором Карлом Декартом в Университете Остина, штат Техас. Впервые он был запатентован в 1989 году фирмой DTM Corporation, которая в 2001 году была куплена компанией 3D Systems.

На сегодняшний день разнообразие материалов, применяемых в качестве порошка, поистине велико: частицы пластика, металла, керамики, стекла, нейлона.

Итак, технология состоит из двух параллельных процессов: вначале подготавливается ровный тонкий слой порошка по всей возможной площади. Здесь не обойтись без валика, подающего и разравнивающего порошок, как каток. После этого включается мощный лазер и запекает те области, который соответствуют срезу воображаемого объекта. Затем модель опускается вниз на расстояние, равное толщине слоя, и алгоритм повторяется, пока процесс не дойдет до самой верхней точки модели.

Как и следует ожидать, существует много вариантов на каждом этапе такого производства. Существует два алгоритма запекания: в одном случае плавят только те участки, которые соответствуют границе перехода, в другом — плавят по всей глубине модели. Кроме того, само запекание может варьироваться по силе, температуре и длительности.

Важная особенность выборочного (селективного) лазерного спекания — отсутствие необходимости в поддерживающих структурах, так как излишек окружающего порошка по всему объему не дает модели разрушиться, пока окончательная форма еще не обретена и не достигнута прочность целевого объекта.

Последний этап — финишная обработка. Например, погружение в специальную печь для выжигания технологических полимеров, которые нужны на этапе спекания, если использовались порошки композитных металлов. Также возможна полировка для удаления видимых переходов между слоями. Технологии и материалы непрерывно совершенствуются и, благодаря этому, этап финишной обработки минимизируется.

ТЕХНОЛОГИЯ

Процесс начинается с загрузки 3D CAD-файла, который на основе математических алгоритмов разделяется на слои заданной толщины. В рабочей камере принтера порошок предварительно подогревается до температуры незначительно ниже температуры плавления легкоплавкой фазы. После разравнивания порошка по поверхности зоны обработки, лазерное излучение CO2-лазера спекает требуемый контур, затем насыпается новый слой порошка, разравнивается и процесс повторяется. Когда модель готова, она извлекается из камеры, а излишки порошка удаляются стряхиванием или зачисткой специальным инструментом.

SLS позволяет изготавливать сложные детали, производство которых традиционными способами экономически не выгодно или не возможно.

ПРОИЗВОДСТВО ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Отличие прототипа от производственной детали заключается в том, что деталь отвечает всем конструкционным требованиям, включая физические свойства, допуски на размеры, внешний вид и стоимость. В прототипе изделия, как правило, учитываются один или несколько функциональных требований и очень редко в него закладывают требуемые физические свойства.

Процесс SLS долгое время использовался в качестве инструмента прототипирования, но достижения в области материалов и усовершенствование технологических процессов на сегодняшний день позволяют производить промышленные детали для разных сфер применения с использованием этой технологии.

ПРЕИМУЩЕСТВА И ОГРАНИЧЕНИЯ SLS

Основное преимущество производства SLS заключается в том, что очень сложные конструкции могут быть изготовлены без оснастки в течение короткого периода времени. Ограничением же является то, что при увеличении объема производства, другие методы производства, как правило, более экономически эффективны.

Так как лазерное спекание является аддитивным процессом производства, который не требует дополнительного набора инструментов, увеличение сложности конструкции не приводит к росту затрат на производство. Это идет вразрез с традиционными производственными процессами, где дополнительная сложность конструкции, как правило, предполагает значительно большего времени и затрат.

Использование SLS технологии для простых изделий становится экономически выгодным, когда объем производства/тираж настолько мал, что инструменты и другие расходные материалы не могут быть списаны/учтены на большой объем изделий. С другой стороны, производство SLS может быть экономически обоснованным для даже больших объемов производства. Например, если заданную конструкцию невозможно изготовить любым другим способом.

Как и при любом процессе максимальный эффект достигается, если учитываются все особенности конечного изделия и способов производства.

МАТЕРИАЛЫ

Для производства изделий по SLS технологии как правило используются материалы на основе полиамидного порошка, иногда с наполнителями, такими как стекло (стекло-волокно) или алюминий.

SLS полиамид отличается от литого по ряду важных технических характеристик, например, таких как относительное удлинение при разрыве. Деталь, полученная литьевым формованием может иметь относительное удлинение при разрыве более 100%, для SLS этот параметр варьируется от 2-28%.

Точность размеров

Стандартные допуски ± 0,4 мм. Более точные допуски могут быть заложены при индивидуальной проработке с проекта.

Отверстие под крепеж

Отверстия под крепеж используются для соединения деталей с использованием специальных вставок или крепежа. Диаметр хозяина должен быть 2- 3 раза больше диаметра вставки, чтобы обеспечить достаточную прочность.

Высота вставки/крепежа не должна превышать высоту выступа. Как и в случае с литьем, к отверстию могут быть добавлены ребра для повышения прочности.

Скошенные края

Края не могут быть тоньше 0,8 мм.

Внутренние (включенные) части

Одним из существенных преимуществ процесса SLS является то, что внутренние детали изделия, такие как жесткости, перегородками, ребра и распорки могут быть спроектированы и изготовлены в виде одной составной части.

Склеивание

Полиамидные материалы могут быть скреплены с использованием различных клеев. Склеивание внахлест производится с 0,3 мм зазором между плоскостями связи. Рекомендуемый размер перекрытия/нахлеста должен в 3-5 раз превышать толщину стенки.

Необходимо принимать во внимание, что такой вид крепления может оказать негативное воздействие на термоустойчивость и прочностные характеристики конструкции.

Шарнирные крепления

SLS технология позволяет создавать подвижные крепления.

Минимальный размер

Минимальный размер/детализация SLS составляет 0,8 мм.

Процесс SLS добавляет естественный радиус 0,4 мм всем острым углам.

Ребра, перемычки и прочие конструкционные детали

Нет никаких специальных требований к конструкции для ребер и перемычек, кроме соблюдения минимальной толщины стенки.

Обработка поверхности

Средняя шероховатость поверхности без обработки составляет Rz 10 - 20. Поверхность может быть отшлифована вручную, отгалтована или обработана с помощью пескоструйной установки. Поверхность изделий из полиамида также может быть дополнительно покрыта грунтовкой, окрашена и текстурирована.

Толщина стенок

Спеченный полиамид, как и любой другой пластик, обладает термоусадкой. Толстые стенки и крупные блоки материала приведут к накоплению избыточного тепла и значительной усадки материала, что повлечет за собой геометрическую деформацию.

Толщина стенки должна быть от 1,0 до 3,0 мм в зависимости от геометрии изделия.

ПРИМЕНЕНИЕ

SLS технологии часто используются для решения задач, в которых:

Сложная геометрия детали создает трудности для производства традиционными методами,

Предполагаемый объем производства/тираж изделий не оправдывает затраты времени и средств на изготовление оснастки и сопутствующего инструмента.

Время является важным критерием выполнения работ. Изделия должны быть готовы быстрее, чем позволяют это сделать традиционные технологии.

Изделие должно быть единым и облегченным за счет исключения крепежа и монтажа компонентов.

Для того чтобы достигнуть высокого качества поверхности, необходимо затратить значительное количество времени. Поэтому, как правило, для решения технических задач подходят изделия без специальной постобработки.

На основе метода выборочного лазерного спекания SLS создаются детали путем накладывания нескольких слоев друг на друга. Благодаря такому современному процессу есть возможность производить детали и прототипы в больших количествах, которые отличаются уникальными физико-химическими характеристиками. Спекание на основе лазерного воздействия предполагает применение мощного лазера.

Кто придумал и когда?

Истоки выборочного спекания лазером лежат еще в 1980-х годах, когда работники Техасского университета Карл Декард и Джозеф Биман работали над созданием исследовательских проектов для агентства DARPA (США), которое чуть позже было выкуплено концерном DTM. Его специалисты как раз занимались продвижением технологии SLS на рынок. В 2001 году эту компанию выкупили 3D Systems.
С одной стороны, данная технология во многих своих чертах и процессах похожа на послойное наплавление, а с другой, имеются и четкие различия. Ключевой момент – применение порошка, а не плавящейся нити. Состав с порошкообразной текстурой равномерно напыляется по всей площади, затем производится его запекание лазером, причем обработке подвергаются только те участки, которые соответствуют сечению модели на конкретном слое на конкретной высоте.

Особенности технологического процесса

Суть спекания лазером SLS в следующем. На основе использования мощных лазеров непрерывного излучения подвергаются спеканию частицы порошкообразного материала. Процесс длится до тех пор, пока не сформируется трехмерный объект. 3D-принтер работает с использованием пластика, металла, керамики или стекла. В ходе спекания осуществляется вычерчивание контуров – они заранее заложены в цифровую модель, и только после этого начинают работать лазеры. После формирования первого слоя на рабочую поверхность наносится еще один слой порошка, и процесс запускается заново. Вся процедура длится до формирования полной трехмерной модели.

Особенности технологии таковы, что можно выполнять ряд специфических задач. В первую очередь создаются детали различной степени сложности с применением любых материалов. Плотность изделия может варьироваться в зависимости от того, какую максимальную энергию показывает лазер. Перед тем, как начинать печать, расходный материал следует подогреть до температуры, которая будет ниже точки плавления, — это позволит сделать процесс спекания проще. Детали, которые производятся на основе SLS принтеров, имеют ряд особенностей:

• модели могут строиться и без создания опорных структур,
• вести производственный процесс можно на основе любых материалов – от пластика до стекла,
• можно создавать модели, которые будут отличаться функциональностью, широким выбором геометрических форм, в том числе и сложных.

Какие материалы применяются?

Особенность технологии SLS в универсальности, поскольку можно применять различные расходные материалы. Некоторые устройства используют порошок однородной структуры, который производится на барабанно-шаровых мельницах. В большинстве случае производство ведется на основе композитных гранул: в них имеется тугоплавкое ядро, а оболочка покрыта материалом с низкой температурой плавления: полимерными веществами, например, полистиролом или нейлоном, металлами (сталью, титаном, сплавами кобальта и хрома, драгоценными металлами), композитными и песчаными составами.

Как проходит процесс спекания?

Технология предполагает ведение производственного процесса в двух этапах. Первым делом идет подготовка ровного тонкого слоя порошка – он распределяется по всей площади. Чтобы распределение было равномерным и одинаковой толщины, используется валик. Затем подключается мощный лазер, которым выполняется запекание областей, которые должны создать срезы будущего изделия. Затем модель опускается вниз на расстояние, которое равно толщине слоя, и процедура вновь повторяется до тех пор, пока процесс не дойдет до самой верхней точки изделия.

Однако каждый этап производства может выполняться по-разному. Например, можно задать разный алгоритм запекания – плавятся только определенные участки или плавление выполняется по всей глубине модели. Сам процесс запекания может вестись в разном температурном режиме, степени мощности и длительности. В выборочном запекании не требуется использование поддерживающих структур, поскольку по всему объему детали образуются излишки порошка, защищающие ее от разрушения, даже если модель еще не сформировалась и не стала прочной.
Заключительная стадия – это финишная обработка, когда полученное изделие опускается в специальную печь, чтобы выжечь технологические полимеры. Иногда выполняется полировка, то есть удаляются видимые переходы между слоями. Благодаря постоянному совершенствованию технологий и материалов финишная обработка стала не только интереснее, но и проще.

Где применяется?

3D-печать на основе метода SLS применяется в различных сферах:

• проектировании деталей силовых установок,
• авиа- и машиностроении,
• космонавтике,
• в создании предметов искусства и дизайна.

На основе технологии SLS создаются прототипы с отличными механическими свойствами, поэтому их можно использовать при создании полнофункциональных деталей и изделий. Благодаря возможности использования термопластичных полимеров, стекла, керамики и даже металла на основе технологии можно создать работоспособные изделия, которые будут отличаться высокой прочностью. К недостаткам принтеров SLS можно отнести слишком длительную подготовку к работе, чтобы нагреть порошок и постоянно поддерживать температуру. С другой стороны, эта современная технология позволяет работать даже с экономичными материалами, при этом модели получаются прочными и стойкими к деформации.

Кстати, SLS принтеры стоят довольно дорого – примерно один миллион рублей, при этом самой популярной маркой считается sPro 60 HD.

Селективное лазерное спекание (SLS) – метод аддитивного производства, разработанный в конце 80-х Карлом Декардом в Техасском Университете Остина при поддержке DARPA. Технология использует лазер высокой мощности для спекания небольших частиц пластика, керамики, стекольной муки или металла в трехмерную структуру.

Лазерный луч выборочно сплавляет частицы порошка в рабочей зоне, получая данные о форме детали путем сверки с виртуальной моделью, сгенерированной компьютером. После завершения обработки слоя, деталь погружается в порошок и процесс повторяется. Примерно такой же способ используется в лазерной стереолитографии, где рабочим материалом выступает жидкий фотополимер, затвердевающий под лучом лазера.

Поскольку плотность детали зависит от мощности лазера, а не от продолжительности нагрева, SLS-принтеры используют импульсные лазеры (например, лазеры на диоксиде углерода). При этом исходный материал предварительно нагревается до состояния, близкого к температуре плавления, чтобы облегчить лазеру достижение пиковой точки. На выходе получается деталь с пористой и шероховатой поверхностью.

Печать металлом

Особый интерес технология представляет в плане возможности создавать изделия из металлов. По сути, с помощью этого метода можно создавать не прототипы, а полноценные рабочие детали. Правда, при работе с металлами технология имеет несколько ограничений. Для предотвращения окисления частиц металла, процесс спекания должен проходить в вакуумной или инертной среде, что невозможно осуществить в домашних условиях. Профессиональные SLS-принтеры оснащены специальными вакуумными камерами, имеют большие размеры и высокую стоимость.

В качестве материала для печати выступает особый порошок, состоящий из частиц металла, покрытых полимером. После завершения процесса спекания, деталь помещается в высокотемпературную печь, где пластик выгорает, а его место занимает легкоплавкая бронза.

Преимущества и недостатки

У технологии SLS есть несколько существенных плюсов:

• Отсутствие необходимости в материалах поддержки. Деталь погружена в порошок, который и выполняет функцию поддержки нависающих деталей;
• Большой выбор материалов, включая металлы;
• Высокая скорость печати (до 35 мм/час).

Минусы:

• Шероховатая структура моделей, требующая дальнейшей обработки;
• Большое время подготовки принтера к работе (нагрев и стабилизация температуры);
• Невозможность печати металлом в домашних условиях.