3D басып шығару: Селективті лазерлі күйдіру технологиясы
Selective laser sintering
3D баспа технологиясы: Selective Laser Sintering (SLS) ұнтақ материалды лазер арқылы қоса өңдейді. Прототиптеу, өндіріс үшін қолданылады. Жаңа технология!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
3D-баспа техникасы металл 3D-баспа
3D printing technique
metal 3D printing
Селективті лазерлік күйдіру (SLS) – бұл аддитивті өндіріс (АМ) техникасы, ол лазерді қуат және жылу көзі ретінде пайдаланып ұнтақ материалды (әдетте нейлон немесе полиамид) күйдіреді. Лазер автоматты түрде 3D-модельде белгіленген кеңістіктегі нүктелерге бағытталады, материалды байланыстырып, берік құрылымды қалыптастырады. Бұл селективті лазерлік балқытуға ұқсас; екеуі де бір концепцияның түрлері, бірақ техникалық ерекшеліктерімен өзгеше. SLS (сондай-ақ, басқа аталған АМ техникалары) салыстырмалы түрде жаңа технология болып табылады және қазірге дейін көбінесе жылдам прототиптеу және компоненттерді шағын көлемде өндіру үшін қолданылып келеді. АМ технологиясының коммерциялық деңгейі жақсарған сайын өндірістік мүмкіндіктері де кеңейе түсуде.
Selective laser sintering (SLS) is an additive manufacturing (AM) technique that uses a laser as the power and heat source to sinter powdered material (typically nylon or polyamide), aiming the laser automatically at points in space defined by a 3D model, binding the material together to create a solid structure. It is similar to selective laser melting; the two are instantiations of the same concept but differ in technical details. SLS (as well as the other mentioned AM techniques) is a relatively new technology that so far has mainly been used for rapid prototyping and for low volume production of component parts. Production roles are expanding as the commercialization of AM technology improves.
Тарих
Селективті лазерлік синтездеу (SLS) технологиясы 1980 жылдардың ортасында Остиндегі Техас университетінде доктор Карл Деккард пен академиялық кеңесші доктор Джо Биман DARPA қолдауымен әзірленіп, патенттелген. Деккард пен Биман SLS машиналарын жобалау және құрастыру үшін құрылған Desk Top Manufacturing (DTM) Corp компаниясының құрылуына қатысты. 2001 жылы DTM Corp-қа және SLS технологиясының ірі бәсекелесіне айналған 3D Systems компаниясы DTM Corp-ты сатып алды. Деккардтың SLS технологиясына қатысты соңғы патент 1997 жылдың 28 қаңтарында тіркелді және 2014 жылдың 28 қаңтарында күші жойылды. Р. Ф. Хаушолдер 1979 жылы осыған ұқсас процесті патенттеген, бірақ оны коммерциялық деңгейде пайдаланбады. SLS жоғары қуатты лазерлерді қажет ететіндіктен, оны үйде қолдану өте қымбат, сонымен қатар қауіпті болуы мүмкін. 1-сыныпты қауіпсіздік корпусымен жабдықталған коммерциялық лазерлік жүйелердің жетіспеуі SLS басып шығарудың қымбаттығы мен қауіптілігіне байланысты, SLS басып шығаруының жеке тұтынушылар нарығы басқа аддитивті өндіріс технологияларына, мысалы, Fused Deposition Modeling (FDM) сияқты технологияларға қарағанда шағын.
Selective laser sintering (SLS) was developed and patented by Dr. Carl Deckard and academic adviser, Dr. Joe Beaman at the University of Texas at Austin in the mid 1980s, under sponsorship of DARPA. Deckard and Beaman were involved in the resulting start up company Desk Top Manufacturing (DTM) Corp, established to design and build the SLS machines. In 2001, 3D Systems, the biggest competitor to DTM Corp. and SLS technology, acquired DTM Corp The most recent patent regarding Deckard's SLS technology was issued January 28, 1997 and expired January 28, 2014. A similar process was patented without being commercialized by R. F. Housholder in 1979. As SLS requires the use of high powered lasers it is often too expensive, not to mention possibly too dangerous, to use in the home. The associated expense and potential danger of SLS printing due to lack of commercially available laser systems with Class 1 safety enclosures means that the home market for SLS printing is not as large as the market for other additive manufacturing technologies, such as Fused Deposition Modeling (FDM).
Технология
Қосымша өндіріс қабатты технология, SLS, жоғары қуатты лазерді (мысалы, көмірқышқыл газы лазерін) пластик, металл, керамика немесе шыны ұнтақтарының ұсақ бөлшектерін қажетті үш өлшемді нысанға біріктіру үшін пайдалануды қамтиды. Лазер ұнтақ материалды ұнтақ төсегінің бетіндегі бөлшектің 3D цифрлық сипаттамасынан (мысалы, CAD файлынан немесе сканерлеу деректерінен) алынған көлденең қималарды сканерлеу арқылы таңдамалы түрде балқытады. Әрбір қима сканерленгеннен кейін ұнтақ қабаты бір қабат қалыңдығымен төмендетіледі, үстіне жаңа материал қабаты салынады және процесс бөлшекті аяқтау үшін қайталанады. Дайын бөлшектің тығыздығы лазерлік уақыт емес, лазердің ең жоғары қуатына байланысты болғандықтан, SLS машинасы әдетте импульсті лазерді қолданады. SLS машинасы ұнтақ төсектегі ұнтақ материалды балқу нүктесінен сәл төмен қыздырады, осылайша лазерге таңдалған аймақтардың температурасын балқу нүктесіне дейін көтеру оңай болады. SLA және FDM-нен айырмашылығы, олар көбінесе үстіне шығып тұрған конструкцияларды жасау үшін арнайы тіреу құрылымдарын қажет етеді, SLS-ке тіреу материалы үшін бөлек қоректендіруші қажет емес, өйткені құрастырылып жатқан бөлшек әрқашан синтезделмеген ұнтақпен қоршалған. Бұл бұрын мүмкін емес геометрияларды жасауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, машинаның камерасы үнемі ұнтақ материалмен толтырылғандықтан, бірнеше бөлшектерді жасау жобаның жалпы қиындығы мен бағасына әлдеқайда аз әсер етеді, өйткені "Нестинг" деп аталатын әдіс арқылы бірнеше бөлшектерді машинаның шекарасына сәйкес орналастыруға болады. Дегенмен, бір ерекшелік – SLS-пен қуыс, бірақ толық жабық элементті жасау «мүмкін емес». Бұл элементтегі синтезделмеген ұнтақты сыртқа шығаруға болмайды. Патенттердің мерзімі біте бастағандықтан, қолжетімді үй принтерлері пайда болуда, бірақ қыздыру процесі әлі де кедергі болып табылады, қуатты тұтыну 5 кВт-қа дейін жетеді және температураны үш кезеңде – қыздыру, балқыту және сақтау кезінде 2 °C-қа дейін бақылау қажет.
An additive manufacturing layer technology, SLS involves the use of a high power laser (for example, a carbon dioxide laser) to fuse small particles of plastic, metal, ceramic, or glass powders into a mass that has a desired three dimensional shape. The laser selectively fuses powdered material by scanning cross sections generated from a 3 D digital description of the part (for example from a CAD file or scan data) on the surface of a powder bed. After each cross section is scanned, the powder bed is lowered by one layer thickness, a new layer of material is applied on top, and the process is repeated until the part is completed. Because finished part density depends on peak laser power, rather than laser duration, a SLS machine typically uses a pulsed laser. The SLS machine preheats the bulk powder material in the powder bed somewhat below its melting point, to make it easier for the laser to raise the temperature of the selected regions the rest of the way to the melting point. In contrast with SLA and FDM, which most often require special support structures to fabricate overhanging designs, SLS does not need a separate feeder for support material because the part being constructed is surrounded by unsintered powder at all times. This allows for the construction of previously impossible geometries. Also, since the machine's chamber is always filled with powder material the fabrication of multiple parts has a far lower impact on the overall difficulty and price of the design because through a technique known as 'Nesting', where multiple parts can be positioned to fit within the boundaries of the machine. One design aspect which should be observed however is that with SLS it is 'impossible' to fabricate a hollow but fully enclosed element. This is because the unsintered powder within the element could not be drained. Since patents have started to expire, affordable home printers have become possible, but the heating process is still an obstacle, with a power consumption of up to 5 kW and temperatures having to be controlled within 2 °C for the three stages of preheating, melting and storing before removal.
Материалдар
Баспа құрылыстарының сапасы ұнтақтың бөлшек мөлшері мен пішіні, тығыздығы, беткейінің тегіссіздігі және кеуектілігі сияқты әртүрлі факторларға байланысты. Бұдан әрі, бөлшектердің таралуы және олардың жылулық қасиеттері ұнтақтың ағып тұру қабілетіне елеулі әсер етеді. SLS технологиясында қолданылатын коммерциялық материалдар ұнтақ түрінде келеді және полиамидтер (PA), полистиролдар (PS), термопластикалық эластомерлер (TPE) және полиарилэфиркетондар (PAEK) сияқты полимерлерді қамтиды, бірақ олармен шектелмейді. Полиамидтер – жартылай кристалданатын термопластик ретіндегі олардың оңтайлы спекание қасиеттеріне байланысты ең көп қолданылатын SLS материалдары болып табылады, нәтижесінде қажетті механикалық қасиеттері бар бөлшектер алынады. Поликарбонат (PC) жоғары беріктігі, жылулық тұрақтылығы және отқа төзімділігі арқасында SLS үшін үлкен қызығушылық тудыратын материал; алайда, SLS арқылы өңделген мұндай аморфты полимерлер бөлшектердің механикалық қасиеттерінің және өлшемдік дәлдігінің төмендеуіне әкеледі, сондықтан олардың қолданылуы осы көрсеткіштерге талаптар төмен жағдайлармен шектеледі. Ұнтақ бөлшектерінің мөлшері әдетте гаусс таралуына ие және диаметрі 15-тен 100 микронға дейін ауытқиды, бірақ бұл SLS процесінде әртүрлі қабат қалыңдықтарына сәйкес реттелуі мүмкін. Ұнтақ беттеріне химиялық байланыстырғыш жабындар қолданылуы мүмкін; бұл жабындар спекание процесіне көмектеседі және әсіресе термостойық эпоксидті шайырмен қапталған алюминий бөлшектері сияқты композиттік материалдардан бөлшектер жасауға көмектеседі. Медициналық, фармацевтикалық және электроникалық құрылғылар жасауда қолданылады. Өндіріс ортасында SLS құралдарды, қалыптарды және тіреу құрылымдарын жылдам жасау үшін пайдаланылуы мүмкін.
The quality of printed structures depends on the various factors include powder properties such as particle size and shape, density, roughness, and porosity. Furthermore, the particle distribution and their thermal properties affect a lot on the flowability of the powder. Commercially available materials used in SLS come in powder form and include, but are not limited to, polymers such as polyamides (PA), polystyrenes (PS), thermoplastic elastomers (TPE), and polyaryletherketones (PAEK). Polyamides are the most commonly used SLS materials due to their ideal sintering behavior as a semi crystalline thermoplastic, resulting in parts with desirable mechanical properties. Polycarbonate (PC) is a material of high interest for SLS due to its high toughness, thermal stability, and flame resistance; however, such amorphous polymers processed by SLS tend to result in parts with diminished mechanical properties, dimensional accuracy and thus are limited to applications where these are of low importance. Powder particle size distributions are typically gaussian and range from 15 to 100 microns in diameter, although this can be customized to suit different layer thicknesses in the SLS process. Chemical binder coatings can be applied to the powder surfaces post process; these coatings aid in the sintering process and are especially helpful to form composite material parts such as with alumina particles coated with thermoset epoxy resin. medical, pharmaceutical, and electronics hardware. On a shop floor, SLS can be used for rapid manufacturing of tooling, jigs, and fixtures.
Кемшіліктер
Бөлшектердің кезекті тесіктермен жабылған беттері бар; оларды цианоакрилат жабынымен немесе ыстық изостатикалық престеу сияқты бірнеше кейінгі өңдеу әдістері арқылы герметикаландыруға болады.
parts have porous surfaces; these can be sealed by several different post processing methods such as cyanoacrylate coatings, or by hot isostatic pressing.