Выборочное лазерное спекание (SLS) – метод аддитивного производства, используемый для создания функциональных прототипов и мелких партий готовых изделий (см. видео). Технология основана на последовательном спекании слоев порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. SLS зачастую ошибочно принимают за схожий процесс, называемый выборочной лазерной плавкой (SLM). Разница заключается в том, что SLS обеспечивает лишь частичную плавку, необходимую для спекания материала, в то время как выборочная лазерная плавка подразумевает полную плавку, необходимую для построения монолитных моделей.

Технология

Технология (SLS) подразумевает использование одного или нескольких лазеров (как правило, углекислотных) для спекания частиц порошкообразного материала до образования трехмерного физического объекта. В качестве расходных материалов используются пластики, металлы, керамика или стекло. Спекание производится за счет вычерчивания контуров, заложенных в цифровой модели (т.н. «сканирования») с помощью одного или нескольких лазеров. По завершении сканирования рабочая платформа опускается, и наносится новый слой материала. Процесс повторяется до образования полной модели.

Так как плотность изделия зависит не от продолжительности облучения, а от максимальной энергии лазера, в основном используются пульсирующие излучатели. Перед началом печати расходный материал подогревается до температуры чуть ниже точки плавления, чтобы облегчить процесс спекания.

В отличие от таких методов аддитивного производства, как стереолитография (SLA) или моделирования методом послойного наплавления (FDM), SLS не требует построения опорных структур. Навесные части модели поддерживаются неизрасходованным материалом. Такой подход позволяет добиться практически неограниченной геометрической сложности изготовляемых моделей.

Материалы и применение

Некоторые SLS устройства используют однородный порошок, производимый с помощью барабанно-шаровых мельниц, но в большинстве случаев используются композитные гранулы с тугоплавким ядром и оболочкой из материала с пониженной температурой плавления.

В сравнении с другими методами аддитивного производства, SLS отличается высокой универсальностью в плане выбора расходных материалов. Сюда входят различные полимеры (например, нейлон или полистирол), металлы и сплавы (сталь, титан, драгоценные металлы, кобальт-хромовые сплавы и др.), а также композиты и песчаные смеси.

Технология SLS получила широкое распространение по всему миру благодаря способности производить функциональные детали сложной геометрической формы. Хотя изначально технология создавалась для быстрого прототипирования, в последнее время SLS применяется для мелкосерийного производства готовых изделий. Достаточно неожиданным, но интересным применением SLS стало использование технологии в создании предметов искусства.

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) – технология аддитивного производства металлических изделий, разработанная компанией EOS из Мюнхена. DMLS зачастую путают со схожими технологиями выборочного лазерного спекания («Selective Laser Sintering» или SLS) и выборочной лазерной плавки («Selective Laser Melting» или SLM).

Процесс включает использование трехмерных моделей в формате STL в качестве чертежей для построения физических моделей. Трехмерная модель подлежит цифровой обработке для виртуального разделения на тонкие слои с толщиной, соответствующей толщине слоев, наносимых печатным устройством. Готовый «построечный» файл используется как набор чертежей во время печати. В качестве нагревательного элемента для спекания металлического порошка используются оптоволоконные лазеры относительно высокой мощности – порядка 200 Вт. Некоторые устройства используют более мощные лазеры с повышенной скоростью сканирования (т.е. передвижения лазерного луча) для более высокой производительности. Как вариант, возможно повышение производительности за счет использования нескольких лазеров.

Порошковый материал подается в рабочую камеру в количествах, необходимых для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал в ровный слой и удаляет излишний материал из камеры, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определенным цифровой моделью. После завершения вычерчивания слоя, процесс повторяется: валик подает свежий материал и лазер начинает спекать следующий слой. Привлекательной особенностью этой технологии является очень высокое разрешение печати – в среднем около 20 микрон. Для сравнения, типичная толщина слоя в любительских и бытовых принтерах, использующих технологию FDM/FFF, составляет порядка 100 микрон.

Другой интересной особенностью процесса является отсутствие необходимости построения опор для нависающих элементов конструкции. Неспеченный порошок не удаляется во время печати, а остается в рабочей камере. Таким образом, каждый последующий слой имеет опорную поверхность. Кроме того, неизрасходованный материал может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован заново. DMLS производство можно считать фактически безотходным, что немаловажно при использовании дорогих материалов – например, драгоценных металлов.

Технология практически не имеет ограничений по геометрической сложности построения, а высокая точность исполнения минимизирует необходимость механической обработки напечатанных изделий.

Преимущества и недостатки

Технология DMLS обладает несколькими достоинствами по сравнению с традиционными производственными методами. Наиболее очевидным является возможность быстрого производства геометрически сложных деталей без необходимости механической обработки (т.н. «субтрактивных» методов – фрезеровки, сверления и пр.). Производство практически безотходно, что выгодно отличает DMLS от субтрактивных технологий. Технология позволяет создавать несколько моделей одновременно с ограничением лишь по размеру рабочей камеры. Построение моделей занимает порядка несколько часов, что несоизмеримо более выгодно, чем литейный процесс, который может занимать до нескольких месяцев с учетом полного производственного цикла. С другой стороны, детали, произведенные лазерным спеканием, не обладают монолитностью, а потому не достигают тех же показателей прочности, что и отлитые образцы, или детали, произведенные субтрактивными методами.

DMLS активно используется в промышленности ввиду возможности построения внутренних структур цельных деталей, недоступных по сложности традиционным методам производства. Детали с комплексной геометрией могут быть выполнены целиком, а не из составных частей, что благоприятно влияет на качество и стоимость изделий. Так как DMLS не требует специальных инструментов (например, литейных форм) и не производит большого количества отходов (как в случае с субтрактивными методами), производство мелкосерийных партий с помощью этой технологии намного выгодней, чем за счет традиционных методов.

Применение

Технология DMLS применяется для производства готовых изделий малого и среднего размера в различных отраслях, включая аэрокосмическую, стоматологическую, медицинскую и др. Типичный размер области построения существующих установок составляет 250х250х250мм, хотя технологических ограничений на размер не существует – это лишь вопрос стоимости устройства. DMLS используется для быстрого прототипирования, снижая время разработки новых продуктов, а также в производстве, позволяя сокращать себестоимость мелких партий и упрощать сборку изделий сложной геометрической формы.

еверо-западный политехнический университет Китая использует DMLS системы для производства элементов конструкции самолетов. Исследования, проведенные EADS, также указывают на снижение себестоимости и отходов при использовании технологии DMLS для производства сложных конструкций в единичных экземплярах или мелкими партиями.

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.

Одна из технологий трехмерной печати – это селективное лазерное спекание или Sls печать . Впервые эту технологию применили в 1989 году. Ее используют и до сих пор. Суть метода состоит в том, что частицы порошка фотополимера спекаются выборочно.

Весь процесс можно разделить на два этапа. На первом рабочий материал раскладывается на рабочей площадке равномерным слоем одинаковой толщины. Затем лазер начинает свою работу: он воздействует на частицы, нагревая их настолько, чтобы они соединялись друг с другом. Заказывая печать на 3d принтере цена на которую будет зависеть от сложности детали и используемого материала, непременно обращайтесь лишь в солидные компании, в которых работают грамотные специалисты.

В процессе воздействия спекаются только те области, которые соответствуют срезам детали. Затем площадка с порошком опускается вниз ровно настолько, чтобы лазер мог обработать следующий миллиметр среза. Таким образом площадка с будущей деталью перемещается вниз до тех пор, пока не будет обработана вся поверхность, и деталь не получит четкие контуры. Каждый раз при перемещении добавляется новый слой порошка.

Особенность под названием sls печать в том, что на любом из этапов можно изменять настройки, управляя процессом. Например, можно по-разному добавлять порошок: его распыляют или наносят валиком. Можно изменять область запекания: выбирают или границу перехода или плавят по всей модели. Да и сам процесс запекания тоже можно изменять: регулировать температуру, интенсивность и длительность.

3d печать sls имеет одну важную особенность, которая состоит в том, что нет необходимости в использовании поддерживающих устройств. В данной технологии роль поддерживающих структур играет лишнее количество порошка, который остается после запекания. Он поддерживает объект до тех пор, пока он не наберет достаточной прочности.

Какие же материалы можно использовать для метода селективного лазерного спекания? Сегодня круг возможностей существенно расширился и включает в себя:

• нейлон;
• пластик;
• керамику;
• стекло;
• металл.

Важно, что все они должны быть в виде порошка с очень мелкими частицами. В зависимости от выбранного материала получают гладкую или слегка шероховатую поверхность.

Изделие можно подвергать дальнейшей обработке, например, выжиганию технических полимеров. Этот процесс необходим, если для изготовления объекта используют композитные материалы. Иногда детали требуют полировки. Детали, для изготовления которых применялась 3д печать по sls-технологии , применяют в авиа- или машиностроении, в космонавтике. Кроме того, по такому методу изготавливают предметы искусства и декора.

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 SLS (Selective Laser Sintering) — селективное лазерное спекание, является одной из технологий производства изделий любой геометрии из порошкообразного материала. Свое развитие, как и другие подобные методы, технология начала в 70-х годах прошлого века.

Так, в 1971 году француз Пьер Сиро (Pierre Ciraud) подал заявку на патент, описывающая способ изготовления изделий из порошкового материала, основанный на отверждении и скреплении порошка под воздействием сфокусированного луча энергии.

Представленная технология имеет малое отношение к любой из сегодняшних коммерческих аддитивных технологий, но она стала предшественником более поздних разработок технологии лазерной обработки материалов.

А в 1979 году, изобретатель по имени Росс Хоушолдер (Ross F. Housholder) подал заявку на патент, с описанием системы и метода создания трехмерного изделия слой за слоем, имеющего сходство с будущими технологиями лазерного спекания. Но из-за чрезвычайно высокой стоимости лазеров в то время, Хоушолдер смог только частично протестировать свой метод.

Коммерчески успешная технологии селективного лазерного спекания была разработана и запатентована студентом Техасского Университета в Остине Карлом Декардом (Carl Deckard) и его научным руководителем, профессором машиностроения Джо Биманом (Joe Beaman) в середине 1980-х годов при поддержке агентства DARPA (агентство передовых оборонных исследовательских проектов) и агентства NSF (независимое агентство при правительстве США, отвечающее за развитие науки и технологий).

Суть технологии заключалась в применении метода производства трехмерного объекта из металлического порошка под воздействием луча лазера , когда частицы порошка нагреваются лишь до оплавления внешнего слоя, достаточного для их скрепления. Процесс необходимо проводить в герметической емкости, заполненной инертным газом, чтобы избежать возгорания порошка и утечки токсичных газов, выделяющихся при твердотельном синтезе.

К сведению: термин «спекание» относится к процессу, с помощью которого объекты создаются из порошков с использованием механизма диффузии атомов. Диффузия атомов происходит в любом материале при температуре выше абсолютного нуля, но процесс происходит гораздо быстрее при более высоких температурах, поэтому спекание вызывается нагреванием порошка при достаточно высоких температурах. Поскольку в первых устройствах для построения 3D-изделий применялся порошок ABS пластика, термин «спекание» наиболее технически-точно отражал происходящие процессы. Однако, когда в установках начали использовать кристаллические и полу-кристаллические материалы, такие как нейлон и металлы, которые растекаются в процессе построения изделий, название «селективное лазерное спекание» уже хорошо зарекомендовало себя и осталось, несмотря на то, что стало неправильным.

В технологии SLS применяются многокомпонентные порошки или порошковые смеси из разных химических материалов, в отличие от технологии DMLS (), где в основном используются однокомпонентные порошки.

В первом прототипе устройства получить готовое изделие не удалось, так как в нем использовался лазер мощностью всего 2 Ватта. Перепроверив математические расчеты, Карл Декард выяснил, что при переносе физической константы с одной страницы на другую, ошибся почти на 3 порядка. После чего, лазер был заменен на более мощный — 100 Bт твердотельный лазер, где качестве активной среды используется алюмо-иттриевый гранат. Позднее стали применяться лазеры на диоксиде углерода.

В конце 1986 года Декард совместно с заместителем декана, доктором Полом Ф. МакКлюром (Paul F. McClure) и бизнесменом Гарольдом Блэром (Harold Blair) основывают компанию Nova Automation, которая в феврале 1989 года была переименована в DTM corp.

Первые установки разработанные в DTM corp назывались Mod A и Mod B, а первая партия из 4 установок была выпущена под названием 125S. В 2001 году DTM corp была куплена компанией 3D Systems, создавшей конкурирующую технологию — .

Компания 3D Systems была и остается одним из лидеров аддитивного производства, а получение прав на технологию селективного лазерного спекания — важная веха для развития коммерческого применения аддитивных технологий. В настоящий момент компания 3D Systems является одним из лидеров на рынке 3D-печати, наряду с такими компаниями как EOS GmbH и Stratasys Inc.

Компания EOS, после продажи 3D Systems в 1997 году своего направления специализирующегося на выпуске SLA оборудования, сфокусировалась на разработке оборудования использующего технологию SLM (селективное лазерное плавление).

Материалы:

• металлические порошки,
• пластиковые порошки,
• нейлон (чистый, стеклонаполненный или с другими наполнителями),
• керамика,
• стекло (кварцевый песок).

Основные области применения:

• Готовые продукты, печатающиеся индивидуально или небольшими сериями
• Прототипы деталей и частей машин и механизмов
• Инструменты для производства
• Преcс-формы

Отрасли применения:

• Аэрокосмическая отрасль (производство титановых форсунок и лопастей для турбин)
• Автомобильная отрасль и машиностроение
• Нефтяная отрасль
• Энергетика
• Медицина (слуховые аппараты, стоматология)

Енвд