Selektywne spiekanie laserowe

Aby uzyskać informacje na temat drukowania 3D w metalu, zobacz Selektywne topienie laserowe .
Maszyna SLS używana w Centro de Pesquisas Renato Archer w Brazylii .

Selektywne spiekanie laserowe ( SLS ) to technika wytwarzania addytywnego (AM), która wykorzystuje laser jako źródło energii i ciepła do spiekania sproszkowanego materiału (zwykle nylonu lub poliamidu ), kierując laser automatycznie na punkty w przestrzeni zdefiniowane przez model 3D , wiążąc materiał razem, aby stworzyć solidną strukturę. Jest to podobne do selektywnego topienia laserowego ; oba są instancjami tej samej koncepcji, ale różnią się szczegółami technicznymi. SLS (podobnie jak inne wspomniane techniki AM) to stosunkowo nowa technologia, która do tej pory była wykorzystywana głównie do szybkiego prototypowania i małoseryjnej produkcji części składowych. Role produkcyjne rosną wraz z komercjalizacji technologii AM.

Historia

Selektywne spiekanie laserowe (SLS) zostało opracowane i opatentowane przez dr Carla Deckarda i doradcę akademickiego, dr Joe Beamana z University of Texas w Austin w połowie lat 80., pod patronatem DARPA . Deckard i Beaman byli zaangażowani w powstałą firmę DTM, założoną w celu projektowania i budowy maszyn SLS. W 2001 roku firma 3D Systems, największy konkurent technologii DTM i SLS, przejęła firmę DTM. Najnowszy patent dotyczący technologii SLS firmy Deckard został wydany 28 stycznia 1997 r. i wygasł 28 stycznia 2014 r.

Podobny proces został opatentowany bez skomercjalizowania przez RF Housholder w 1979 roku.

Ponieważ SLS wymaga użycia laserów o dużej mocy, stosowanie go w domu jest często zbyt drogie, nie wspominając o tym, że może być zbyt niebezpieczne. Związane z tym koszty i potencjalne niebezpieczeństwa związane z drukowaniem SLS z powodu braku dostępnych na rynku systemów laserowych z bezpieczeństwa klasy 1 oznaczają, że krajowy rynek drukowania SLS nie jest tak duży, jak rynek innych technologii wytwarzania addytywnego, takich jak Fused Deposition Modeling ( FDM).

Technologia

Technologia addytywnej warstwy produkcyjnej, SLS, polega na zastosowaniu lasera o dużej mocy ( na przykład lasera na dwutlenek węgla ) do łączenia małych cząstek proszków z tworzywa sztucznego , metalu , ceramiki lub szkła w masę o pożądanym trójwymiarowym kształcie. Laser selektywnie stapia sproszkowany materiał, skanując przekroje wygenerowane z trójwymiarowego cyfrowego opisu części (np . plik lub skan danych) na powierzchni złoża proszkowego. Po zeskanowaniu każdego przekroju łoże proszkowe jest obniżane o jedną grubość warstwy, na wierzch nakładana jest nowa warstwa materiału i proces jest powtarzany aż do ukończenia części.


Selektywny proces spiekania laserowego 1 Laser 2 System skanera 3 System podawania proszku 4 Tłok podawania proszku 5 Wałek 6 Tłok wytwarzania 7 Proszkowe łoże wytwarzania 8 Obrabiany obiekt (patrz wstawka) A Kierunek skanowania laserowego B Cząsteczki spiekanego proszku (stan brązowy) C Wiązka laserowa D Spiekanie laserowe E Wstępnie umieszczone łoże proszkowe (stan zielony) F Niespieczony materiał w poprzednich warstwach

Ponieważ gęstość gotowych części zależy od szczytowej mocy lasera, a nie od czasu trwania lasera, maszyna SLS zazwyczaj wykorzystuje laser impulsowy . Maszyna SLS podgrzewa wstępnie sypki materiał sproszkowany w złożu proszku nieco poniżej jego temperatury topnienia, aby ułatwić laserowi podniesienie temperatury wybranych obszarów do końca drogi do temperatury topnienia.

W przeciwieństwie do SLA i FDM, które najczęściej wymagają specjalnych konstrukcji wsporczych do wykonywania wystających projektów, SLS nie potrzebuje oddzielnego podajnika materiału podporowego, ponieważ konstruowana część jest przez cały czas otoczona niespiekanym proszkiem. Pozwala to na konstruowanie wcześniej niemożliwych geometrii. Ponadto, ponieważ komora maszyny jest zawsze wypełniona materiałem proszkowym, wytwarzanie wielu części ma znacznie mniejszy wpływ na ogólną trudność i cenę projektu, ponieważ dzięki technice znanej jako „zagnieżdżanie ” ', gdzie wiele części można ustawić tak, aby mieściły się w granicach maszyny. Jednak jednym z aspektów konstrukcyjnych, na który należy zwrócić uwagę, jest to, że w przypadku SLS „niemożliwe” jest wyprodukowanie pustego, ale całkowicie zamkniętego elementu. Dzieje się tak dlatego, że niespiekany proszek znajdujący się w elemencie nie mógł zostać odsączony.

Ponieważ patenty zaczęły wygasać, możliwe stały się niedrogie drukarki domowe, ale proces ogrzewania nadal stanowi przeszkodę, przy zużyciu energii do 5 kW i konieczności kontrolowania temperatury w granicach 2 °C na trzech etapach podgrzewania, topienia i przechowywania przed usunięciem. [1]

Materiały

Jakość drukowanych struktur zależy od różnych czynników, w tym właściwości proszku, takich jak wielkość i kształt cząstek, gęstość, chropowatość i porowatość. Ponadto rozkład cząstek i ich właściwości termiczne mają duży wpływ na sypkość proszku.

Dostępne w handlu materiały stosowane w SLS są w postaci proszku i obejmują między innymi polimery, takie jak poliamidy (PA), polistyreny (PS), elastomery termoplastyczne (TPE) i poliaryloeteroketony (PAEK). Poliamidy są najczęściej stosowanymi materiałami SLS ze względu na ich idealne zachowanie podczas spiekania jako półkrystalicznego tworzywa termoplastycznego , co skutkuje częściami o pożądanych właściwościach mechanicznych. Poliwęglan (PC) jest materiałem o dużym znaczeniu dla SLS ze względu na wysoką wytrzymałość, stabilność termiczną i ognioodporność; jednakże takie amorficzne polimery przetwarzane przez SLS mają tendencję do uzyskiwania części o obniżonych właściwościach mechanicznych, dokładności wymiarowej, a zatem są ograniczone do zastosowań, w których mają one niewielkie znaczenie. Materiały metalowe nie są powszechnie stosowane w SLS od czasu rozwoju selektywnego topienia laserowego .

Produkcja proszku

Cząsteczki proszku są zwykle wytwarzane przez mielenie kriogeniczne w młynie kulowym w temperaturach znacznie niższych od temperatury zeszklenia materiału, którą można osiągnąć przeprowadzając proces mielenia z dodatkiem materiałów kriogenicznych, takich jak suchy lód (mielenie na sucho) lub mieszaniny cieczy azot i rozpuszczalniki organiczne (szlifowanie na mokro). Proces ten może skutkować kulistymi lub nieregularnymi cząstkami o średnicy zaledwie pięciu mikronów . Rozkłady wielkości cząstek proszku są zazwyczaj gaussowskie i mają średnicę od 15 do 100 mikronów, chociaż można to dostosować do różnych grubości warstw w procesie SLS. Chemiczne wiążące mogą być nakładane na powierzchnie proszkowe po procesie; powłoki te wspomagają proces spiekania i są szczególnie przydatne przy formowaniu części z materiałów kompozytowych, takich jak tlenku glinu pokryte termoutwardzalną żywicą epoksydową .

Mechanizmy spiekania

Diagram przedstawiający tworzenie szyjki w dwóch spiekanych cząstkach proszku. Oryginalne kształty są pokazane na czerwono.

Spiekanie w SLS zachodzi przede wszystkim w stanie ciekłym, gdy cząsteczki proszku tworzą na powierzchni mikrostopioną warstwę, co powoduje zmniejszenie lepkości i utworzenie wklęsłego promieniowego mostka między cząstkami, znanego jako przewężenie, ze względu na reakcję materiału na obniżyć jego energię powierzchniową. W przypadku proszków powlekanych zadaniem lasera jest stopienie powłoki powierzchniowej, która będzie pełnić rolę spoiwa. Spiekanie w stanie stałym jest również czynnikiem przyczyniającym się, aczkolwiek o znacznie mniejszym wpływie, i zachodzi w temperaturach poniżej temperatury topnienia materiału. Główną siłą napędową procesu jest ponownie odpowiedź materiału na obniżenie stanu energii swobodnej, w wyniku czego dyfuzja cząsteczek przez cząstki.

Aplikacje

Technologia SLS jest szeroko stosowana w wielu gałęziach przemysłu na całym świecie ze względu na jej zdolność do łatwego tworzenia skomplikowanych geometrii przy niewielkim lub zerowym dodatkowym wysiłku produkcyjnym. Jego najczęstszym zastosowaniem są części prototypowe na wczesnym etapie cyklu projektowego , takie jak modele odlewów inwestycyjnych , sprzęt samochodowy i modele w tunelach aerodynamicznych . SLS jest również coraz częściej wykorzystywany w produkcji o ograniczonych nakładach do produkcji części do końcowego użytku dla sprzętu lotniczego, wojskowego, medycznego, farmaceutycznego i elektronicznego. Na hali produkcyjnej SLS można wykorzystać do szybkiej produkcji oprzyrządowania, przyrządy i osprzęt . Ponieważ proces ten wymaga użycia lasera i innego drogiego, nieporęcznego sprzętu, nie nadaje się do użytku osobistego ani domowego; znalazł jednak zastosowanie w sztuce [cytat artysty EOS z obrazami].

Zalety

  • Spiekane łoże proszkowe jest w pełni samonośne, co pozwala na:
    • duże kąty zwisu (od 0 do 45 stopni od płaszczyzny poziomej)
    • złożone geometrie osadzone głęboko w częściach, takie jak konforemne kanały chłodzące
    • produkcja seryjna wielu części wytwarzanych w macierzach 3D, proces zwany zagnieżdżaniem
  • Części mają wysoką wytrzymałość i sztywność
  • Dobra odporność chemiczna
  • Różne możliwości wykończeniowe (np. metalizacja, emaliowanie piecowe, szlifowanie wibracyjne, barwienie tub, klejenie, proszkowanie, powlekanie, flokowanie)
  • Biokompatybilny zgodnie z EN ISO 10993-1 i USP/poziom VI/121 °C
  • Złożone części z elementami wewnętrznymi można budować bez uwięzienia materiału wewnątrz i zmiany powierzchni po usunięciu podpór.
  • Najszybszy proces wytwarzania addytywnego do drukowania funkcjonalnych, trwałych prototypów lub części dla użytkownika końcowego
  • Szeroka gama materiałów charakteryzujących się wytrzymałością, trwałością i funkcjonalnością
  • Ze względu na niezawodne właściwości mechaniczne części często mogą zastąpić typowe tworzywa sztuczne do formowania wtryskowego

Niedogodności

  • części mają porowate powierzchnie; można je uszczelnić kilkoma różnymi metodami obróbki końcowej, takimi jak powłoki cyjanoakrylowe lub prasowanie izostatyczne na gorąco .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Selective_laser_sintering&oldid=1139597458 ”