Как селективное лазерное синтерирование (SLS) превращает 3D CAD-дизайны в твердые детали

SLS в аддитивном производстве используется для конвертации 3D CAD-дизайнов в физические детали за считанные часы.

Что такое селективное лазерное синтерирование? SLS — Selective Laser Sintering, техника 3D-печати или аддитивного производства (AM). SLS использует процесс, называемый синтерингом, где порошковый материал нагревается до температур, близких к плавлению, заставляя частицы связываться вместе для образования твердого тела.

SLS может использовать широкий спектр материалов — чаще всего нейлон, но иногда также пластики и металлы.

Благодаря способности производить ранее «невозможные» детали (читайте дальше) и высокой восстанавливаемости материалов, SLS популярно в промышленных условиях с момента коммерциализации в начале 1990-х.

SLS изначально разрабатывался в 1980-х Карлом Декардом и Джо Биманом под спонсорством DARPA (Агентство передовых исследовательских проектов обороны), агентства R&D Министерства обороны США.

Хотя технология SLS далека от новизны, она все еще используется в основном для промышленных применений. Точный лазер в процессе SLS обеспечивает высокоточное производство даже сложных деталей. Поэтому SLS широко используется для быстрого прототипирования и производства малых серий кастомных деталей.

С другой стороны, использование мощных лазеров и порошкового материала делало его непрактичным для большинства маломасштабного или домашнего использования, особенно так как SLS-принтеры существенно дороже других популярных технологий, таких как FDM (Fused Deposition Modeling).

Недавно разработки в технологиях порошкового слоевого сплавления возобновили интерес к SLS, который теперь отстает по популярности от FDM и стереолитографии (SLA).

Селективное лазерное синтерирование (SLS): Предварительная обработка SLS-моделей

Каждая техника аддитивного производства (AM) имеет свои ограничения, и SLS не исключение. В частности, SLS не подходит для печати острых краев или тонких стен, и дизайны с этими особенностями должны быть изменены во время предобработки. Например:

• Детали с тонкими стенами можно анализировать с помощью дизайн-продукта, включающего функцию анализа тонких стен. Эта функция симулирует процесс печати, помогая дизайнеру определить, вероятно ли успешная печать. Если нет — можно внести изменения перед печатью.
• Для деталей с острыми краями дизайнеры могут использовать функцию скругления (filleting) своего CAD-ПО для заругления краев в подготовке к успешной печати.

Пара дополнительных моментов:

• Если проект включает чрезмерно сложные геометрии, дизайнеры могут использовать инструменты упрощения геометрии во время подготовки данных для SLS, чтобы обеспечить готовность дизайна к печати.
• Также, для экономии веса многие SLS-детали печатаются полыми, и дизайнеры могут использовать автоматизированные инструменты для «выпрямления» своих дизайнов и включения отверстий для удаления несинтерированного материала после печати.
• При работе с полнофункциональным дизайн-ПО дизайнеры должны использовать техники симуляционного моделирования, чтобы увидеть, как их дизайн поведет себя при печати и при реальном использовании.

Наконец, перед тем как 3D-модель будет готова к печати, она должна быть «нарезана» на 2D-слоя (также известные как поперечные сечения), которые SLS-принтер будет использовать для управления своим лазером по каждому слою порошкового материала. Хотя некоторые бесплатные «слайсеры» доступны для подготовки данных для SLS, их надежность может быть сомнительной, и профессиональным дизайнерам рекомендуется работать с признанным программным пакетом для своих потребностей в предобработке.

Если ваша организация разрабатывает приложения, обрабатывающие предобработку для SLS-печати, или вы производитель SLS-станков, желающий добавить ПО в портфолио, Spatial здесь, чтобы помочь.

Используя более 35 лет экспертизы в 3D-моделировании, Spatial предоставляет комплексные функции предобработки, которые могут быть упакованы в ваши программные приложения с использованием наших предварительно собранных библиотек. Это идеальный способ расширить существующую функциональность ваших приложений или аппаратных продуктов и помочь дифференцировать ваши предложения от конкурентов для sls 3D печати.

Чтобы узнать больше о том, как Spatial может помочь, ознакомьтесь с нашими проверенными в отрасли наборами инструментов разработки 3D-моделирования, чтобы начать.

Процесс SLS в аддитивном производстве

Процесс селективного лазерного синтерирования похож на другие технологии порошкового слоевого сплавления:

1. Дизайнер создает 3D-модель с помощью программы CAD
2. Дизайн разбивается на тонкие (2D) слои
3. Разбитый дизайн отправляется на SLS-принтер
4. Ровняющий валик распределяет тонкий слой порошкового материала по строительной платформе принтера
5. CO₂ лазер прослеживает поперечное сечение на материале, нагревая и сплавляя его вместе
6. Когда слой завершен, строительная платформа опускается для пространства следующего слоя порошка
7. Неиспользованный материал перерабатывается после каждого слоя
8. Процесс SLS повторяется, строя слой за слоем до завершения детали

Во время печати SLS-детали окружены несинтерированным порошком. Этот лишний порошок поддерживает деталь во время печати, устраняя необходимость в поддерживающих структурах.

Селективное лазерное синтерирование: Постобработка

Первый шаг в SLS постобработке — восстановление детали. Свеже напечатанные SLS-детали заключены в пористый кокон из частично синтерированного порошка, который нужно разбить для извлечения детали. Хотя этот процесс был бы грязным в домашней среде, SLS в основном используется в промышленных условиях, где применяются специально спроектированные камеры очистки с герметичными оболочками и входом для сжатого воздуха.

После очистки SLS-детали изучаются и тестируются для обеспечения соответствия исходным спецификациям. Поскольку SLS-детали склонны к усадке и деформации, этот процесс должен гарантировать пригодность каждой детали.

Наконец, большинство SLS-деталей окрашиваются и/или покрываются покрытием для подготовки к реальному использованию. Краски и покрытия варьируются от чисто косметических до высокофункциональных, включая покрытия, которые:

• Устойчивы к царапинам
• Отражающие или неотражающие
• Поляризованные
• Долговечные

Восстановление материала SLS

Восстановление оставшегося материала — важная часть производственного процесса SLS.

Поскольку порошковый материал поддерживает SLS-детали во время печати, используется гораздо больше порошка, чем нужно для самой детали. Однако, так как весь порошок в строительной камере предварительно нагревается для помощи синтерингу, «использованный» порошок менее эффективен, чем неиспользованный, для будущей SLS-печати. Эксперты SLS-печати рекомендуют использовать максимум 50% переработанного порошка для любого SLS-проекта.

Разные типы SLS-систем

Фундаментально существуют два типа SLS-систем: промышленные и настольные.

Промышленные SLS-системы

Промышленные SLS-системы существуют десятилетиями и используются лидерами в широком спектре отраслей: авиакосмика, автомобилестроение, оснастка. Промышленные системы используют один или более высокомощных CO₂ лазеров.

Из-за размеров и тепловых требований промышленные системы требуют инертную среду для предотвращения окисления порошка. В результате эти системы также требуют специализированное оборудование для управления воздушным притоком и отводом. Они также требуют промышленное питание.

Настольные SLS-системы

Настольные SLS-системы используют похожий процесс, но упакованы в станок, помещающийся в малой бизнес или хоббийную среду. Эти системы используют низкоэнергетические диодные или волоконные лазеры вместо CO₂, что частично отвечает за их сниженную стоимость.

Из-за меньшего размера настольные системы также требуют меньше тепла для синтеринга, устраняя необходимость в специализированных системах управления воздухом и позволяя работать от стандартного переменного тока.

Материалы SLS

Термин SLS обычно описывает пластиковое синтерирование, хотя может использоваться как собирательный термин для синтерирования материалов, включающих пластики, металлы, стекло, керамику и композиты. Процесс остается похожим по всем материалам, хотя температура для синтеринга варьируется.

Когда SLS применяется к металлам, обычно используется термин прямого металлического лазерного синтерирования (DMLS). Процесс точно такой же, как описано ранее, но синтеринг требует значительно больше тепла, чем пластиковое синтерирование.

Преимущества и недостатки SLS

Как любой производственный процесс, SLS имеет плюсы и минусы.

Преимущества SLS:

• Самоподдерживающийся. По мере построения SLS-деталей полые пространства заполняются несинтерированным порошком. В результате печати SLS самоподдерживающиеся и не требуют дополнительных поддерживающих структур.
• Свобода дизайна. Поскольку не нужны поддерживающие структуры, дизайнеры имеют гораздо больше свободы для создания деталей, выполняющих их цели, без волнений о производственной осуществимости. В результате многие детали, считавшиеся «невозможными» из-за ограничений традиционных субтрактивных техник, теперь могут быть сделаны с SLS аддитивным производством.
• Скорость. Поскольку нейлоновый порошок в SLS требует только кратковременной лазерной экспозиции для синтеринга, SLS-печать среди самых быстрых 3D-технологий. В отличие от других техник (FDM), с SLS практически нет компромисса между скоростью печати и обеспечением высокого качества.
• Легко окрашивать. SLS-печати по своей природе пористы и легко впитывают влагу и другие жидкости. Эта пористость делает SLS-детали идеальными для окраски, особенно при горячем ванном процессе.

Недостатки SLS:

• Пористы и хрупкие. Пористая природа SLS-деталей может компрометировать их структурную целостность. Хотя они обычно имеют отличную растяжную прочность, SLS-детали негибки и могут ломаться при относительно низких уровнях деформации. Поэтому SLS-печати часто используются как прототипы proof-of-concept. SLS-детали также могут иметь шероховатую поверхностную отделку.
• Склонны к усадке и деформации. Нейлоновый порошок в SLS подвергается высоким температурам при синтеринге и последующему быстром остыванию. При остывании деталь также сокращается, что может привести к неточностям — чаще всего в острых краях и углах.
• Отходы. Хотя порошок из SLS-печати можно перерабатывать, большинство экспертов рекомендуют максимум 50% переработанного порошка в будущих печатях. В результате в SLS-процессе всегда есть элемент отходов.
• Стоимость. Даже настольный SLS-принтер может стоить $5 000 - $40 000 — гораздо больше, чем сопоставимые принтеры других AM-техник. Промышленные SLS-принтеры становятся очень дорогими очень быстро.

Когда использовать SLS

Самое популярное применение SLS — быстрое прототипирование, где его скорость и самоподдерживаемость делают его идеальным. SLS позволяет дизайнерам легко создавать и тестировать широкий спектр прототипов без ограничений необходимости включать поддерживающие структуры или использовать более традиционные производственные техники, такие как литье под давлением.

Какие отрасли полагаются на SLS?

Благодаря преимуществам, SLS интенсивно используется в авиакосмической, автомобильной и медицинской отраслях.

Где авиакосмические и автомобильные производители используют в основном металлические и композитные порошки для достижения высокой долговечности, медицинские производители обычно предпочитают термополиуретан (TPU) — гибкий и высокопрочный пластик с отличными механическими свойствами, долговечностью и устойчивостью к маслам и химикатам.

SLS обычно используется там, где цена не главное соображение, по крайней мере в плане закупки капитального оборудования. SLS-системы могут быть экстремально дорогими — главная причина использования в основном в промышленных условиях.

Однако, капитальные расходы в стороне, производители, изготавливающие много малых серий деталей (прототипы), на самом деле могут экономить с SLS. SLS широко используется для производства малых серий и беспорядковых деталей, в основном потому что это упрощает производство без значительных затрат на оснастку.

Частые случаи использования:

• Кастомные инструменты и приспособления
• Топливные баки
• Воздушные каналы
• Архитектурные модели
• Компоненты, сертифицированные для полетов БПЛА
• Автомобильные дизайны
• Художественные скульптуры

Что дальше для SLS?

Прямо сейчас SLS в основном ограничен промышленным использованиями — в основном из-за высокой стоимости SLS 3D-принтеров, но также из-за использования мощных лазеров и порошковых материалов. Пока хоббистам и домашним создателям доступнее другие техники (FDM, SLA). В промышленных условиях, однако, SLS-системы могут быть экстремально ценными.

Как и все AM-техники, SLS полагается на способность производителя производить высокоточные и оптимизированные 3D-модели. И, учитывая ограничения SLS — особенно неспособность печатать детали с тонкими стенами или острыми краями — определенные программные функции необходимы для создания и оптимизации этих моделей.

Чтобы узнать, как Spatial может помочь вам встроить мощную SLS-функциональность и комплексные предварительно собранные библиотеки в ваши аппаратные и программные решения, свяжитесь с нами сегодня.