Селективное лазерное спекание ( SLS ) — это метод аддитивного производства (AM), который использует лазер в качестве источника энергии и тепла для спекания порошкового материала (обычно нейлона или полиамида ), автоматически направляя лазер на точки в пространстве, определенные 3D-моделью , связывая материал вместе, чтобы создать прочную структуру. [1] [2] [3] Это похоже на селективное лазерное плавление ; эти два варианта являются воплощениями одной и той же концепции, но различаются техническими деталями. SLS (как и другие упомянутые методы АП) — 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.
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 . [4] Декард и Биман участвовали в создании новой компании Desk Top Manufacturing (DTM) Corp, созданной для проектирования и производства машин SLS. В 2001 году компания 3D Systems, крупнейший конкурент DTM Corp. и технологии SLS, приобрела DTM Corp. [5] Последний патент на технологию SLS компании Deckard был выдан 28 января 1997 года, срок его действия истек 28 января 2014 года. [6]
Похожий процесс был запатентован, но не был коммерциализирован РФ Хаусхолдером в 1979 году. [7]
Поскольку SLS требует использования мощных лазеров, его часто слишком дорого, не говоря уже о том, что, возможно, слишком опасно использовать в домашних условиях. Связанные с этим расходы и потенциальная опасность SLS-печати из-за отсутствия коммерчески доступных лазерных систем с защитными кожухами класса 1 означают, что внутренний рынок SLS-печати не так велик, как рынок других технологий аддитивного производства, таких как моделирование плавленым осаждением ( ФДМ).
Технология слоев аддитивного производства SLS предполагает использование мощного лазера (например, лазера на углекислом газе ) для плавления мелких частиц пластика , металла , керамики или стеклянных порошков в массу, имеющую желаемую трехмерную форму. Лазер выборочно плавит порошкообразный материал путем сканирования поперечных сечений, созданных на основе трехмерного цифрового описания детали (например, из файла САПР или данных сканирования) на поверхности слоя порошка. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка опускают на одну толщину слоя, сверху наносят новый слой материала и процесс повторяют до тех пор, пока деталь не будет завершена. [8]
Поскольку плотность готовых деталей зависит от пиковой мощности лазера, а не от его продолжительности, в машинах SLS обычно используется импульсный лазер . Установка SLS предварительно нагревает сыпучий порошковый материал в слое порошка несколько ниже его точки плавления, чтобы лазеру было легче поднять температуру выбранных областей до конца пути до точки плавления. [9]
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, поскольку конструируемая деталь всегда окружена неспеченным порошком. Это позволяет строить ранее невозможные геометрии. Кроме того, поскольку камера машины всегда заполнена порошковым материалом, изготовление нескольких деталей оказывает гораздо меньшее влияние на общую сложность и стоимость конструкции, поскольку благодаря методу, известному как « нестинг », при котором несколько деталей можно расположить так, чтобы они поместились внутри. границы машины. Однако следует учитывать один аспект конструкции: с помощью SLS «невозможно» изготовить полый, но полностью закрытый элемент. Это связано с тем, что неспеченный порошок внутри элемента не мог быть слит.
Поскольку срок действия патентов начал истекать, стало возможным создание доступных домашних принтеров, но процесс нагрева по-прежнему остается препятствием: потребляемая мощность достигает 5 кВт, а температуру приходится контролировать в пределах 2 °C на трех этапах предварительного нагрева, плавления и хранение перед удалением. [1] Архивировано 28 апреля 2015 г. на Wayback Machine.
Качество печатных структур зависит от различных факторов, включая свойства порошка, такие как размер и форма частиц, плотность, шероховатость и пористость. [10] Кроме того, распределение частиц и их термические свойства сильно влияют на сыпучесть порошка. [11]
Коммерчески доступные материалы, используемые в SLS, выпускаются в форме порошка и включают, помимо прочего, полимеры, такие как полиамиды (PA), полистиролы (PS), термопластичные эластомеры (TPE) и полиарилэфиркетоны (PAEK). [12] Полиамиды являются наиболее часто используемыми материалами SLS из-за их идеальных свойств при спекании в качестве полукристаллического термопласта , в результате чего получаются детали с желаемыми механическими свойствами. [13] Поликарбонат (ПК) представляет большой интерес для SLS из-за его высокой прочности, термической стабильности и огнестойкости; однако такие аморфные полимеры, обработанные SLS, имеют тенденцию давать детали с пониженными механическими свойствами, точностью размеров и, таким образом, ограничиваются применениями, где они не имеют большого значения. [13] Металлические материалы обычно не используются в SLS с момента разработки селективного лазерного плавления .
Частицы порошка обычно получают путем криогенного измельчения в шаровой мельнице при температурах значительно ниже температуры стеклования материала, чего можно достичь, запуская процесс измельчения с добавлением криогенных материалов, таких как сухой лед (сухое измельчение) или смесей жидкостей . азот и органические растворители (мокрое измельчение). [14] В результате этого процесса могут быть получены частицы сферической или неправильной формы диаметром всего пять микрон . [14] Распределение частиц порошка по размерам обычно является гауссовым и находится в диапазоне от 15 до 100 микрон в диаметре, хотя его можно настроить в соответствии с различной толщиной слоя в процессе SLS. [15] Покрытия на основе химических связующих можно наносить на порошковые поверхности после обработки; [16] эти покрытия способствуют процессу спекания и особенно полезны для формирования деталей из композитных материалов, например, с частицами оксида алюминия , покрытыми термореактивной эпоксидной смолой . [15]
Спекание в SLS преимущественно происходит в жидком состоянии, когда частицы порошка образуют на поверхности слой микрорасплава, что приводит к снижению вязкости и образованию вогнутой радиальной перемычки между частицами, известной как шейка [16] из-за реакция материала на снижение его поверхностной энергии. В случае порошков с покрытием целью лазера является расплавление поверхностного покрытия, которое будет действовать как связующее. Спекание в твердом состоянии также является способствующим фактором, хотя и с гораздо меньшим влиянием, и происходит при температурах ниже температуры плавления материала. Основной движущей силой этого процесса снова является реакция материала на понижение состояния его свободной энергии, что приводит к диффузии молекул между частицами.
Технология SLS широко используется во многих отраслях промышленности по всему миру благодаря ее способности легко создавать изделия сложной геометрии практически без дополнительных производственных усилий. Его наиболее распространенное применение - прототипы деталей на ранних этапах цикла проектирования , например, модели для литья по выплавляемым моделям, автомобильное оборудование и модели аэродинамических труб . SLS также все чаще используется в ограниченном производстве для производства деталей конечного использования для аэрокосмической, военной, [17] медицинской, фармацевтической, [18] и электронной аппаратуры. В цехах SLS можно использовать для быстрого изготовления инструментов, приспособлений и приспособлений . [19]