sls печать что это
SLS печать (Selective Laser Sintering)- селективное лазерное спекание
Введение в SLS печать (Selective Laser Sintering). Это небольшое, но достаточно четкое руководство по SLS 3д печати.
Что такое SLS печать (Selective Laser Sintering)?
SLS печать — селективное лазерное спекание. Это процесс аддитивного производства, принадлежащий семейству Fusion Powder Bed Fusion. В SLS лазер избирательно спекает частицы порошка полимера, склеивая их вместе и создавая слой за слоем.
Материалы, используемые в SLS, представляют собой термопластичные полимеры, которые имеют гранулированную форму.
SLS печать используется как для создания прототипов функциональных полимерных компонентов, так и для небольших производственных циклов.
Поскольку предлагает очень высокую свободу проектирования, высокую точность и производит детали с хорошими и стабильными механическими свойствами. В отличие, например, от FDM или SLA.
Возможности технологии могут быть использованы в полной мере, только если дизайнер принимает во внимание ее основные преимущества и ограничения.
SLS 3d-печать — процесс
SLS 3d-печать — процесс устанавливается производителем станка. Используемая высота слоя по умолчанию составляет 100-120 мкм.
Основным преимуществом SLS является то, что он не нуждается в опорных структурах. Не спечённый порошок обеспечивает детали всей необходимой поддержкой. В результате SLS можно использовать для создания геометрий произвольной формы. Которые невозможно изготовить любым другим способом.
При печати с использованием SLS очень важно использовать весь объем сборки. Особенно для мелкосерийного производства. Для печати на лоток заданной высоты требуется примерно одинаковое время. Независимо от количества содержащихся в нем деталей.
Лазерное сканирование происходит очень быстро. В результате машина циклически проходит одинаковое количество слоев.
Упаковка бункера может повлиять на сроки выполнения небольших заказов. Так как операторы ждут, пока бункер не будет заполнен, прежде чем начнут печать.
SLS печать — адгезия слоя
В SLS прочность сцепления между слоями превосходна. В результате напечатанные детали SLS обладают почти изотропными механическими свойствами.
Детали SLS имеют превосходную прочность на разрыв и модуль упругости, сравнимые с объемным материалом. Но являются более хрупкими (их удлинение при разрыве намного ниже). Это связано с внутренней пористостью конечной части.
Типичная деталь SLS имеет пористость около 30%.
Пористость придает деталям SLS характерную зернистую поверхность. В результате детали SLS могут впитывать воду. Например, поэтому они могут быть легко окрашены в горячей ванне в различные цвета. А также требуют специальной обработки, если они используются во влажной среде.
Окрашенные детали SLS могут быть в нескольких цветах. Их пористость делает их идеальными для окрашивания в горячей ванне.
SLS печать — усадка и деформация
Детали SLS подвержены усадке и деформации. При остывании вновь спеченного слоя его размеры уменьшаются. В результате накапливаются внутренние напряжения, вытягивая нижележащий слой вверх.
Большие плоские поверхности наиболее склонны к деформации. Эта проблема смягчается путем вертикальной ориентации детали в сборочной платформе. Но лучше всего уменьшить ее объем за счет минимизации толщины плоских участков и введения вырезов в конструкцию. Эта стратегия также уменьшит общую стоимость детали, так как используется меньше материала.
Чрезмерное спекание
Чрезмерное спекание происходит, когда лучистое тепло плавит спеченный порошок вокруг объекта. Это может привести к потере деталей в небольших объектах. Таких как прорези и отверстия.
Перекрытие зависит как от размера элемента, так и от толщины стенки. Например, прорезь шириной 0,5 мм или отверстие диаметром 1 мм будет успешно напечатаем на стене толщиной 2 мм. Но эти особенности исчезнут, если толщина стенки будет 4 мм или больше.
Как правило, слоты шириной более 0,8 мм и отверстия диаметром более 2 мм можно печатать в SLS, не опасаясь чрезмерного спекания.
Удаление порошка
Детали с полыми секциями печатаются легко и точно. Поскольку SLS не требует вспомогательных материалов.
Полые секции уменьшают вес и стоимость детали, так как используется меньше материала. Эвакуационные отверстия необходимы для удаления не спеченного порошка с внутренних частей компонента.
Рекомендуется добавить в вашу конструкцию как минимум 2 выпускных отверстия диаметром не менее 5 мм.
Если требуется высокая жесткость, детали должны быть напечатаны полностью сплошными. Но альтернатива состоит в том, чтобы сделать полую конструкцию, исключающую выходные отверстия.
Таким образом, плотно упакованный порошок будет захвачен в детали. В результате увеличивая его массу. А также обеспечивая некоторую дополнительную защиту от механических нагрузок, не влияя на время сборки.
Внутренняя сотовая структура решетки может быть добавлена к полой внутренней части. Аналогично узорам заполнения, используемым в FDM. Чтобы дополнительно увеличить жесткость компонента. Выдавливание детали таким способом также может уменьшить деформацию.
Общие материалы SLS
Наиболее широко используемым материалом SLS является полиамид 12 (PA 12), также известный как нейлон 12. Цена за килограмм порошка PA 12 составляет примерно 50-60 долларов. Другие технические термопласты, такие как PA 11 и PEEK, также доступны. Но не так широко используются.
Порошок полиамида может быть заполнен различными добавками для улучшения механического и термического поведения получаемой детали SLS. Такими как углеродные волокна, стекловолокно или алюминий. Материалы, заполненные добавками, обычно являются более хрупкими и могут обладать сильной анизотропией.
SLS печать — постобработка
SLS печать производит детали с порошкообразной, зернистой поверхностью, которая легко окрашивается. Внешний вид напечатанных деталей SLS улучшается до очень высокого стандарта с использованием различных методов последующей обработки. Таких как полировка носителя, крашение, окраска распылением и лакировка.
Их функциональность также может быть улучшена путем нанесения водонепроницаемого покрытия или металлического покрытия.
Преимущества и ограничения SLS
Ключевые преимущества и недостатки технологии приведем ниже.
Детали SLS обладают хорошими, изотропными механическими свойствами. Это делает их идеальными для функциональных деталей и прототипов.
SLS не требует поддержки. В результате проекты со сложной геометрией легко производить.
Производственные возможности SLS превосходны для мелкого и среднего серийного производства.
В настоящее время широко доступны только промышленные системы SLS. Поэтому время выполнения заказа больше, чем у других технологий 3D-печати. Например, таких как FDM и SLA.
Детали SLS имеют зернистую поверхность и внутреннюю пористость. Они могут потребовать последующей обработки, если требуется гладкая поверхность или водонепроницаемость.
SLS не может точно печатать большие плоские поверхности и маленькие отверстия. Так как они подвержены деформации и перекосу.
SLS может производить функциональные детали из широкого спектра инженерных пластиков. Чаще всего из нейлона (PA12).
Типичный объем сборки системы SLS составляет 300 х 300 х 300 мм.
Детали SLS демонстрируют хорошие механические свойства и изотропное поведение. Для компонентов с особыми требованиями доступны порошки PA с наполнителем.
Все новости в наших группах: вконтакте, twitter, facebook
Аддитивные технологии: обзор SLS
Появление технологий 3D-печати было связано прежде всего с необходимостью облегчить задачу по созданию прототипов при разработке и проектировании. Теперь круг задач 3D-печати значительно шире и включает в себя производство, в том числе и конечных изделий.
В этой статье мы рассказываем о технологии SLS, ее принципе действия и используемых материалах, и сравниваем ее с другими распространенными способами 3D-печати.
Содержание:
Как работает выборочное лазерное спекание (SLS)
На примере Sinterit Lisa Pro
Принцип работы SLS — спекание порошка с помощью инфракрасного лазера при повышенной температуре, которая помогает зернам порошка консолидироваться при контакте с лазерным лучом. В обычном SLS-принтере имеется так называемая «кровать», на которой валик распределяет тонкий слой порошка, а затем лазер спекает его частицы в соответствии с 3D-моделью, создавая деталь слой за слоем.
После этого платформа движется вниз с небольшим шагом, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирован последний слой.
Схема устройства SLS 3D-принтера. Источник: sinterit.com
По окончании процесса появляется деталь, которая требует удаления модели из массы не спеченного порошка и, опционально, пескоструйной обработки.
Толщина слоя 0,075-0,175 мм. Источник: sinterit.com
В этом и заключается реальное преимущество SLS. В отличие от FDM, SLS может производить 3D-печать без каких-либо опорных структур, что важно для моделей со сложной геометрией — они подвешены в порошке и не требуют поддержек. Это также позволяет печатать во всём объеме рабочей камеры, размещая любое количество изделий.
Кроме того, можно легко распечатать готовые подвижные объекты.
Примеры изделий
Сравнение с другими технологиями
Самыми распространенными технологиями 3D-печати, помимо SLS, являются моделирование методом осаждения расплавленной нити (FDM) и фотополимерная 3D-печать (SLA, DLP, LCD).
Осаждение расплавленной нити или FDM — самая распространенная технология для персональных и профессиональных настольных 3D-принтеров. Это технология, основанная на расплавлении нити и нанесении ее на стол послойно, в соответствии со слоями цифровой модели. При печати используют термопластичные полимеры и композиты на их основе, такие как полилактид (PLA) и акрилбутадиенстирол (ABS).
Наиболее широко технология применяется в прототипировании новых изделий, бытовой любительской печати и печати на заказ, в образовании. Существует много разновидностей филамента, обладающих разными механическими и химическими свойствами.
Главные преимущества FDM/FFF: большой ассортимент недорогих и хорошо изученных материалов с известными свойствами, сравнительная простота освоения и работы с оборудованием, низкая стоимость получаемого изделия.
Фотополимерная 3D-печать
Принцип действия основан на фотополимеризации — отверждении жидкого полимера под воздействием света. Принтеры, работающие с применением этой технологии, засвечивают фотополимерную смолу, в которую добавлен специальный реагент-отвердитель, при этом жидкость превращается в твердый пластик. Основное отличие фотополимерных принтеров заключается в способе засвечивания вещества: в стереолитографии (SLA) для этой цели применяется лазер, в цифровой светодиодной проекции (DLP) — проектор, в ЖК-засвечивании (LCD) — жидкокристаллическая матрица и светодиодная подсветка.
Отпечатки, сделанные на SLA 3D-принтере Formlabs Form 3L. Источник: top3dshop.ru
Разработанная в 1970-х годах, стереолитография (SLA) стала первой реализованной на практике техникой 3D-печати. Для печати в стереолитографии применяют специально разработанные жидкие фотополимеры, экспозиция производится обычно лучом ультрафиолетового лазера, который “рисует” изделие слой за слоем. Этот способ печати не порадует высокой скоростью печати и низкой стоимостью принтеров, но эти недостатки нивелируются очень высокой точностью. Так как лазер не закреплен стационарно, свет перемещается плавно, а края отпечатка при этом остаются гладкими.
Технология применяется в стоматологической и ювелирной областях, для создания прототипов высокой детализации, мастер-моделей и изделий. Существуют разновидности выжигаемого фотополимера, из которых печатают заготовки для литья металлом, биологически совместимые материалы для хирургии и стоматологии и многие другие.
Выполнено на Makex M-One Pro 30. Источник: top3dshop.ru
Как мы упоминали ранее, DLP засвечивает фотополимер при помощи проектора. Таким образом, принтер экспонирует весь срез детали сразу, в отличие от SLA, где лазер выводит его постепенно.
Этот принцип дает существенное преимущество в скорости печати, но имеет свои нюансы — при сравнении одинаковых отпечатков, сделанных на SLA и DLP, вы увидите пиксели на гладких поверхностях вторых.
Благодаря высокой скорости и достаточной точности, DLP применяется при прототипировании, макетировании и мелкосерийном производстве, в ювелирной и сувенирной отраслях, а также в стоматологии.
Напечатано на принтере Phrozen Shuffle 2019. Источник: top3dshop.ru
LCD — еще одна технология фотополимерной 3D печати. Засвечивание полимера производится светодиодами, расположенными под жидкокристаллической матрицей, аналогичный принцип применяется в смартфонах. Изображение формируется за счет LCD-дисплея, который покадрово выводит сечение формируемой детали. Первое существенное достоинство таких принтеров — это цена, в среднем в несколько раз ниже SLA или DLP. К недостаткам можно отнести ограниченную диагональю экрана площадь отпечатка, а также паразитную засветку, связанную
с отсутствием в большинстве таких принтеров фокусирующей системы. Это приводит к необходимости уменьшения времени печати слоя, от чего страдает качество.
Сферы применения LCD, по большей части, совпадают с DLP. Но способ передачи изображения первого намного проще, что позволяет энтузиастам создавать принтеры своими руками и использовать их в качестве домашних 3D-принтеров. С подробностями вы можете ознакомиться в нашей статье, рассказывающей об LCD.
Сравнительная таблица
Рассмотрим основные параметры, влияющие на качество 3D-печати и выбор пользователей, основываясь на особенностях разных технологий.
Параметры
Осаждение расплавленной нити
Стереолитография
Выборочное лазерное спекание
Нанесение расплавленной нити
Термопластичный полимер в форме нити (прутка)
Смолы, фотоотверждаемые жидкости
Порошковые спекаемые полимеры (то есть полиамиды, TPU, TPE)
нет необходимости в опорных структурах
печать подвижных частей
необходимость в опорных структурах
термическая усадка нити
небольшой выбор материалов
высокая стоимость обслуживания
длительное время печати
прототипы со сложной внутренней геометрией
прототипы подвижных деталей
Печать без опорных структур
Печать объектов с подвижными частями
не всегда выполнима (низкая точность)
Материалы для SLS 3D-принтеров
Разнообразие материалов, которые можно применять в печати с помощью технологии лазерного спекания, достаточно велико: от различных металлических порошков, используемых в основном в автомобильной промышленности, до полиамидов, таких как Sinterit PA12 Smooth — порошок из нейлона 12, и термопластичных полиуретанов (ТПУ), таких как Flexa Black. Все порошки могут быть изменены для конкретного применения, так что каждый может достичь желаемых механических свойств модели.
Примечательно, что SLS является практически безотходной технологией, при которой не подвергнутый спеканию порошок можно использовать для последующих отпечатков снова и снова.
Существенным аспектом является способ повторного применения использованного порошка и его коэффициента обновления — количества свежего порошка, которое необходимо добавить к использованному, чтобы сохранить качество печати. Можно использовать один и тот же расходный материал с долей нового, но некоторые порошки могут быстро окисляться и требуют атмосферы нейтрального газа, такого как азот, для сохранения качества печати. Этот тип решения присутствует в Sinterit Lisa PRO, в камеру которого подаётся азот.
Свойства порошков
Снимок отпечатка, сделанного с помощью SLS, под микроскопом.
Прежде всего разберем, насколько порошки SLS могут быть универсальными с точки зрения механических свойств, и почему можно печатать одним порошком, а не другими. Существуют особые требования для консолидации частиц порошка.
Необходимо различать две основные категории материалов: металлические и полимерные порошки. Первая группа в основном используется в автомобильной и авиационной промышленности, а вторая охватывает прототипирование, медицинские цели, образование и мелкосерийное производство нестандартных элементов.
Первым и наиболее важным свойством порошка является температурный диапазон спекания. Для описания этих явлений мы сосредоточимся на полимерных порошках, таких как полиамиды (PA), термопластичные эластомеры (TPE) и термопластичные полиуретаны (TPU).
Полимер это молекула, образующаяся при реакции полимеризации — взаимном соединении молекул мономеров. Эти типы соединений присутствуют вокруг нас в различных формах. Пластиковые пакеты и бутылки представляют собой формованный полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС) и другие синтетические вещества. Многие полимеры, применяемые в легкой промышленности, такие как полиамид, могут быть адаптированы к использованию с технологией SLS.
На графике мы можем видеть существенные температуры фазовых переходов аморфного и кристаллического полимера, на которых мы основываем наш диапазон температур спекания. (Стеклование- Tg, кристаллизация- Tc и температура плавления- Tm ).
Полимеры имеют кристаллическую или аморфную структуру. Это влияет на их физические свойства, определяющие диапазоны температур спекания. Для кристаллических полимеров диапазон находится между температурой стеклования и температурой плавления, для аморфных — начинается от температуры стеклования и ограничивается искусственно в зависимости от конкретного вещества — обычно 50-200 ° C.
Это диапазон, который позволяет осуществлять диффузию частиц и усиливает процесс спаивания путем формирования так называемой шейки между зернами порошка. Во время регулировки температуры мы должны знать, что добавки к порошку могут влиять на температуру его фазового перехода, и необходимо следить за тем, чтобы порошок не плавился полностью. Существует также явление коалесценции, называемое «шея», которое происходит между двумя частицами, начинающими спаиваться друг с другом при повышенной температуре. Представьте, что две сферы соприкасаются друг с другом, медленно сливаясь в один эллипс- это тепловое слияние.
Уплотнение порошка завершается облучением порошка лазером и полимеризацией цепочек в зернах, образуя однородный слой спеченного порошка.
Частицы порошка для SLS должны иметь определенный диаметр, который варьируется от 45 до 90 мкм для оптимальной точности.
Спектр параметров, влияющих на процесс SLS 3D-печати, необычайно длинный, однако некоторые из них наиболее важны для качества и времени печати. Список состоит из свойств порошка, упомянутых выше, таких как диапазон температур спекания, а также химический характер порошка, который имеет решающее значение для процесса спаивания. Если использованный материал не поглощает энергию лазера, можно смешать его с некоторым поглощающим излучение веществом, но это очень деликатная задача — соотношение количества и свойства поглотителя должны быть идеально сбалансированы.
Осознавая тот факт, что почти каждый шаг в процессе SLS-печати влияет на механические свойства конечного изделия, вы можете экспериментировать с их настройкой. К примеру, выбирать между жесткими, мягкими, резиновыми и другими порошками. Самая простая вещь, которую вы можете сделать, это изменить температуру и/или другие параметры печати в разрешенном в ПО диапазоне. Это действительно легко сделать, используя открытые параметры в Sinterit Studio 2019. Простая регулировка температуры может изменить механическое сопротивление или качество модели.
Заключение
Существует два основных типа принтеров SLS — промышленные и настольные. Первые стоят очень дорого (десятки тысяч долларов), а настольные — более доступные, такие как Lisa или Lisa PRO, несколько тысяч долларов. Основным отличием является объем печати, автоматизация процесса и ассортимент материалов.
Назначение
Настольные SLS принтеры идеальны для академических исследований, быстрого прототипирования при разработке новых изделий и даже небольшого серийного производства.
Плюсы и минусы
Одно из главных преимуществ SLS заключается в использовании новых материалов с индивидуально подобранными свойствами.
Также важна возможность достаточно быстро создавать партии геометрически точных изделий с высокими механическими свойствами, то есть пригодных для практического применения.
Для безопасного и эффективного использования технологии необходимы навыки работы с мелкодисперсным порошком, вдыхание которого может быть вредно.
Рекомендации
Такие полимеры как Нейлон, основное сырье для SLS-печати, известны много десятилетий своими высокими прочностными характеристиками, а SLS-принтеры дают возможность создавать изделия из них без необходимости затрат на полный традиционный производственный цикл, что намного быстрее и дешевле.
Именно поэтому, для создания или модернизации небольшого опытного или мелкосерийного производства прочных полимерных деталей мы рекомендуем использовать SLS 3D-принтеры. А если говорить о компактном формате — лучше всего себя зарекомендовали аппараты производства Sinterit.
Купите SLS 3D-принтер в Top 3D Shop — приобретите оригинальную продукцию от авторизованного дистрибьютора, с официальной гарантией и сертифицированным сервисом.