Селективное лазерное спекание: технология 3D-печати

Введение

Технология 3D-печати, 3D-печать металлов.

Селективное лазерное спекание (SLS) – это технология аддитивного производства (AM), использующая лазер в качестве источника энергии и тепла для спекания порошкового материала (обычно нейлона или полиамида). Лазер автоматически направляется в точки в пространстве, заданные 3D-моделью, сплавляя материал вместе для создания цельной структуры. Она схожа с селективным лазерным плавлением; оба процесса основаны на одной концепции, но различаются техническими деталями. SLS (как и другие упомянутые технологии AM) – относительно новая технология, которая до настоящего времени в основном применялась для быстрого прототипирования и мелкосерийного производства деталей. Область производственного применения расширяется по мере развития коммерциализации технологии AM.

История

Селективное лазерное спекание (SLS) было разработано и запатентовано доктором Карлом Деккардом и его научным руководителем доктором Джо Биманом в Техасском университете в Остине в середине 1980-х годов при поддержке DARPA. Деккард и Биман принимали участие в создании стартап-компании Desk Top Manufacturing (DTM) Corp, основанной для разработки и производства оборудования для SLS. В 2001 году компания 3D Systems, крупнейший конкурент DTM Corp. и технологии SLS, приобрела DTM Corp. Последний патент, связанный с технологией SLS, разработанной Деккардом, был выдан 28 января 1997 года и истек 28 января 2014 года. Аналогичный процесс был запатентован Р. Ф. Хаушхолдером в 1979 году, но не был коммерциализирован. Поскольку для SLS требуется использование мощных лазеров, его применение в домашних условиях часто оказывается слишком дорогим и, возможно, небезопасным. Высокая стоимость и потенциальная опасность печати SLS, обусловленные отсутствием коммерчески доступных лазерных систем с защитными кожухами класса 1, ограничивают домашний рынок SLS-печати по сравнению с рынком других технологий аддитивного производства, таких как моделирование методом наплавления (FDM).

Технология

Технология аддитивного производства слоями, SLS, предполагает использование высокомощного лазера (например, углекислотного лазера) для спекания мелких частиц пластика, металла, керамики или стекла в порошок, образуя массу заданной трехмерной формы. Лазер выборочно спекает порошковый материал, сканируя поперечные сечения, сгенерированные из трехмерного цифрового описания детали (например, из CAD-файла или данных сканирования) на поверхности слоя порошка. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка опускается на толщину одного слоя, сверху наносится новый слой материала, и процесс повторяется до завершения детали. Поскольку плотность готовой детали зависит от пиковой мощности лазера, а не от его длительности, в SLS-машинах обычно используется импульсный лазер. SLS-машина предварительно нагревает основной порошковый материал в слое порошка немного ниже температуры плавления, чтобы лазеру было легче довести температуру выбранных участков до температуры плавления. В отличие от SLA и FDM, которые часто требуют специальных опорных структур для изготовления нависающих элементов, SLS не нуждается в отдельной подаче материала для опор, поскольку изготавливаемая деталь постоянно окружена неспеченным порошком. Это позволяет создавать геометрии, которые ранее были невозможны. Кроме того, поскольку камера машины всегда заполнена порошковым материалом, изготовление нескольких деталей оказывает значительно меньшее влияние на общую сложность и стоимость изготовления, благодаря технике, известной как «гнездование», позволяющей разместить несколько деталей в пределах габаритов машины. Однако следует учитывать один конструктивный аспект: с помощью SLS «невозможно» изготовить полый, но полностью закрытый элемент, поскольку неспеченный порошок внутри него невозможно удалить. С истечением срока действия патентов стали доступны более доступные домашние принтеры, но процесс нагрева по-прежнему представляет собой проблему, потребляя до 5 кВт энергии, а температура должна контролироваться с точностью до 2 °C на трех этапах: предварительного нагрева, плавления и хранения перед извлечением.

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.

Материалы

Качество печатных конструкций зависит от различных факторов, включая свойства порошка, такие как размер и форма частиц, плотность, шероховатость и пористость. Более того, распределение частиц и их тепловые свойства существенно влияют на сыпучесть порошка. Коммерчески доступные материалы, используемые в SLS, поставляются в виде порошка и включают, помимо прочего, полимеры, такие как полиамиды (PA), полистиролы (PS), термопластичные эластомеры (TPE) и полиарилетеркетоны (PAEK). Полиамиды являются наиболее часто используемыми материалами для SLS благодаря их идеальному поведению при спекании как полукристаллического термопласта, что обеспечивает получение деталей с желаемыми механическими свойствами. Поликарбонат (PC) представляет значительный интерес для SLS из-за его высокой ударной вязкости, термической стабильности и огнестойкости; однако, детали, изготовленные методом SLS из таких аморфных полимеров, как правило, имеют сниженные механические свойства и точность размеров, что ограничивает их применение областями, где эти параметры не критичны. Распределение частиц по размерам обычно имеет гауссовское распределение и варьируется от 15 до 100 микрон в диаметре, хотя его можно настроить в соответствии с различными толщинами слоя в процессе SLS. Химические связующие покрытия могут быть нанесены на поверхность порошка после обработки; эти покрытия способствуют процессу спекания и особенно полезны при создании композитных деталей, например, частиц оксида алюминия, покрытых термореактивной эпоксидной смолой, для медицинского, фармацевтического и электронного оборудования. На производстве SLS может использоваться для быстрого изготовления оснастки, кондукторов и приспособлений.

Недостатки

Части имеют пористые поверхности; эти поверхности можно герметизировать несколькими различными методами постобработки, такими как покрытия на основе цианоакрилата или горячее изостатическое прессование.