¿Qué es la impresión 3D SLS y cómo funciona?

La sinterización selectiva por láser (SLS) es una de las tecnologías de impresión 3D más comunes en el prototipado rápido. Esta tecnología utiliza un láser para interactuar con material en polvo y construir piezas capa a capa. Este artículo explica el principio básico de la impresión 3D por sinterización selectiva por láser (SLS), describe su funcionamiento, detalla el proceso completo, identifica los materiales adecuados y analiza sus aplicaciones.

Descripción general de la impresión 3D SLS

La sinterización selectiva por láser (SLS) es una tecnología de fabricación aditiva que utiliza un láser para interactuar con material en polvo y construir piezas capa a capa. Generalmente, emplea un láser de CO₂ como fuente láser. Según los datos de capas introducidos por el ordenador, escanea y sinteriza selectivamente cada capa. La SLS es una tecnología de fabricación aditiva altamente flexible y adaptable. Supera las limitaciones de la fabricación tradicional mediante moldeo de materiales y sustractividad. No requiere moldes ni estructuras de soporte. Añade material para formar la pieza. Ofrece las ventajas de una gran libertad de diseño, un ciclo de desarrollo de producto corto y un bajo coste de fabricación. Permite producir rápidamente piezas complejas de polímero, metal y cerámica.

Principio de la sinterización selectiva por láser

Antes del escaneo, la tecnología SLS requiere precalentar el polvo a una temperatura inferior a su punto de fusión. Esto reduce la deformación térmica y los problemas de adherencia del polvo durante el escaneo láser, y también facilita la unión entre capas. El software controla el funcionamiento del láser, el ajuste de potencia, el precalentamiento del polvo, el rodillo de distribución del polvo y el movimiento del cilindro de polvo.

Tras configurar los parámetros del proceso láser, como la potencia, la velocidad y la separación de escaneo, así como el grosor de la capa, el ordenador controla el láser para que emita un haz de alta precisión. El láser escanea selectivamente la capa de polvo según los datos del modelo tridimensional de capas introducido. La zona escaneada absorbe la energía del láser y la temperatura comienza a aumentar. Cuando la temperatura alcanza el punto de reblandecimiento o fusión del material en polvo, este comienza a fluir. Las partículas individuales de polvo empiezan a entrar en contacto entre sí, formando cuellos de sinterización y uniéndose. Las zonas no escaneadas permanecen en forma de polvo y sirven de soporte a las zonas escaneadas.

Una vez que el láser termina de escanear el área especificada, parte del calor se transfiere a la capa inferior de polvo mediante conducción térmica, lo que crea una unión entre la capa actual y la inferior. El calor restante se disipa lentamente por convección y radiación en la superficie. La temperatura comienza a descender y las partículas de polvo se enfrían y solidifican gradualmente. Las partículas de polvo en el área escaneada se unen para formar el contorno requerido.

Una vez que el láser completa el escaneo de una capa, el cilindro de construcción desciende el grosor de una capa, mientras que el cilindro de suministro de polvo asciende la misma altura. A continuación, el rodillo esparcidor de polvo se mueve y gira hacia el cilindro de construcción, empujando el exceso de polvo del cilindro de suministro hacia la superficie del cilindro para formar una nueva capa de polvo con el grosor exacto. Posteriormente, se sinteriza la siguiente capa. Este proceso se repite capa por capa hasta completar la pieza.

Una vez sinterizadas todas las secciones, la pieza impresa se retira del lecho de polvo. El polvo sin sinterizar de la superficie y del interior de las estructuras complejas se limpia cuidadosamente. A continuación, se realizan pasos de postprocesamiento, como el lijado y el secado, para obtener la pieza sólida tridimensional final.

Como tecnología de fabricación rápida completamente diferente de la fabricación sustractiva tradicional, la SLS tiene muchas ventajas en la fabricación de piezas:

• Amplia gama de fuentes de materiales. En teoría, cualquier material en polvo que pueda lograr la unión de partículas después de la sinterización láser puede utilizarse como material SLS.
• Proceso de fabricación sencillo. Todo el proceso está controlado por ordenador. Solo se requiere el diseño del modelo y la preparación de la materia prima para fabricar la pieza en el equipo SLS. El proceso de fabricación es relativamente simple.
• Alta precisión de conformado. La precisión de la pieza conformada depende de la precisión del escaneo láser y del tamaño de la zona afectada por el calor, que se puede ajustar modificando los parámetros del proceso.
• Ideal para producir piezas de formas complejas sin estructuras de soporte ni moldes. El polvo sin sinterizar en las zonas no escaneadas permanece y sirve de soporte a las capas sobresalientes. No se necesitan moldes, por lo que se pueden crear incluso formas muy complejas.
• Alta tasa de aprovechamiento del material. El polvo sobrante tras una sola impresión puede reutilizarse, lo que mejora el aprovechamiento del material y reduce los costes.

Proceso de sinterización selectiva por láser

La tecnología de sinterización láser permite utilizar diversos materiales en polvo para producir piezas de los materiales correspondientes. Gracias a la madurez del proceso, las piezas impresas suelen presentar una buena precisión y alta resistencia. Sin embargo, la mayor ventaja de la sinterización selectiva por láser (SLS) reside en su capacidad para imprimir directamente piezas metálicas acabadas. Los componentes impresos cumplen directamente con los requisitos de prueba. La tecnología de sinterización láser permite sinterizar piezas metálicas de forma directa o indirecta, y la resistencia del material final es muy superior a la de otras tecnologías de impresión 3D.

De acuerdo con el principio del proceso SLS presentado anteriormente, el proceso específico se puede resumir de la siguiente manera:

1. Durante el proceso de impresión, toda la cámara de impresión se mantiene a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del material en polvo.
2. Extienda el polvo del material sobre la superficie superior de la pieza ya formada y nivélela.
3. Utilice un láser de CO₂ de alta intensidad para irradiar la sección de la capa recién extendida de la pieza. El polvo del material se sinteriza bajo la acción del láser de alta intensidad y se une a la pieza previamente formada que se encuentra debajo.
4. Una vez sinterizada una sección de la capa, el sistema de distribución de polvo extiende una nueva capa de material en polvo y, a continuación, se imprime la siguiente sección de la capa.

Si bien la tecnología de sinterización láser presenta ventajas evidentes, también tiene desventajas. En primer lugar, la sinterización del polvo produce una superficie rugosa que requiere un posterior lijado. En segundo lugar, requiere láseres de alta potencia, lo que implica mayores costos de equipo y mantenimiento, además de componentes de protección y control adicionales. La complejidad técnica general del equipo es elevada y su fabricación resulta difícil. Esto dificulta su acceso para el usuario común, lo que complica su implementación a gran escala.

Parámetros del proceso de sinterización selectiva por láser

Las piezas impresas mediante SLS de buena calidad requieren precisión y resistencia suficientes. Si la precisión es insuficiente, la pieza final no cumple con los requisitos. Si la resistencia es demasiado baja, no puede mantener formas complejas ni someterse a procesos posteriores, lo que provoca daños en la pieza o una resistencia insuficiente. Solo cuando las partículas de polvo se ablandan y se unen completamente se puede mejorar la resistencia de la pieza formada. Esto requiere suficiente calor en la zona de sinterización láser para fundir las partículas de polvo. Sin embargo, una densidad de energía láser excesiva crea una gran zona afectada por el calor debido a la conducción térmica, lo que provoca mayores errores dimensionales y una menor precisión de conformado. Por lo tanto, el efecto de la densidad de energía láser sobre la resistencia y la precisión debe considerarse conjuntamente para establecer parámetros de proceso adecuados.

Poder del laser

La potencia del láser determina principalmente su salida de energía. El calor que emite el láser al incidir sobre el polvo sigue tres vías: absorción en la zona seleccionada, conducción a las zonas circundantes o disipación en el aire por convección, radiación y reflexión. El haz láser es una fuente de calor en movimiento, y su tiempo de interacción con el polvo suele ser de tan solo unos pocos a decenas de milisegundos. Por lo tanto, el polvo se calienta y se enfría rápidamente. Durante el calentamiento, las propiedades térmicas del polvo, como la tasa de absorción del láser, la reflectividad y la conductividad térmica, varían con la temperatura. La temperatura en cada punto del polvo también cambia constantemente. Se trata de un proceso de transferencia de calor muy complejo e inestable.

Velocidad de escaneo

En el proceso de sinterización láser, cuando el láser recorre el plano de trabajo, las partículas de polvo se funden, fluyen y se unen. El láser escanea punto por punto formando líneas, luego línea por línea formando superficies y, finalmente, capa por capa formando un sólido. Al disminuir la velocidad de escaneo, aumenta la densidad de energía del láser y, por consiguiente, la energía absorbida por el material cerca del punto de escaneo. Esto amplía la anchura y la profundidad de la zona de fusión, lo que contribuye a aumentar la resistencia de la pieza formada. Dado que la anchura y la profundidad de la zona de fusión influyen considerablemente en el espaciado de escaneo y el espesor de cada capa, la velocidad de escaneo debe ajustarse a estos dos parámetros. Una menor velocidad de escaneo reduce la eficiencia de fabricación. Asimismo, cuando el láser escanea los límites, el aumento de la anchura de la zona de fusión amplía la zona afectada por el calor, lo que reduce la precisión de la pieza formada.

Escaneo de espaciado

El espaciado de escaneo es la distancia entre dos líneas de escaneo. Durante el escaneo láser, solo el polvo dentro de las áreas de las líneas de escaneo necesita unirse. El campo de temperatura en el área de escaneo debe afectar lo menos posible al polvo circundante. El espaciado de escaneo generalmente se elige ligeramente menor que el diámetro del punto láser. Esto crea una pequeña superposición entre líneas de escaneo adyacentes sin generar límites de unión evidentes en una sola capa. Esto hace que la unión de la capa única sea más uniforme y evita que el campo de temperatura afecte demasiado las áreas circundantes, lo que garantiza una mayor precisión dimensional de la pieza en verde.

Espesor de una sola capa

El espesor de una sola capa se refiere al espesor de dispersión del polvo, que es la altura a la que desciende el cilindro de construcción en cada ciclo. La distribución de la densidad de energía láser disminuye en la dirección del espesor, por lo que el espesor de la capa sinterizable es muy limitado. Un espesor de capa demasiado grande provocará una unión débil entre capas, y la pieza puede delaminarse o tener una resistencia reducida en la dirección de la altura. Un espesor de capa demasiado pequeño provocará que parte del polvo ya sinterizado se vuelva a sinterizar, afectando la calidad del conformado. El rodillo de dispersión del polvo aplica presión hacia abajo sobre el polvo, lo que ayuda a aumentar la densidad de empaquetamiento del polvo. Por lo tanto, cuanto menor sea el espesor de una sola capa, mayor será la densidad de la pieza sinterizada. También existe una fuerza horizontal que puede causar un ligero desplazamiento entre capas y reducir la precisión. Especialmente para piezas con superficies curvas, la sinterización láser produce superficies escalonadas que no pueden transicionar suavemente, lo que reduce la precisión de la superficie y la forma.

En piezas con superficies curvas, el error producido durante la sinterización láser está relacionado tanto con la pendiente de la curva como con el espesor de la capa. Un mayor espesor de capa hace más evidente el efecto de escalonamiento, incrementando los errores de volumen, forma y tamaño entre la pieza sinterizada real y la pieza diseñada. Por lo tanto, al sinterizar piezas con superficies curvas, se debe reducir adecuadamente el espesor de la capa y seleccionar cuidadosamente la dirección de procesamiento para lograr una mayor precisión.

Diámetro del punto láser

Cuando el rayo láser incide sobre la superficie del polvo, forma un punto de un tamaño determinado. Al sinterizar el polvo con el rayo láser, se produce una desviación entre el contorno de la pieza formada y la trayectoria de escaneo del centro del punto, lo que provoca que el contorno exterior de la pieza parezca ligeramente más grande. Además, el punto puede redondear las esquinas afiladas de la pieza, afectando la precisión de la forma. La influencia del tamaño del punto en la precisión de la conformación enmascara parcialmente la influencia del tamaño de las partículas de polvo. El diámetro del punto láser también tiene un gran efecto en la eficiencia de la conformación. A la misma velocidad de escaneo, un diámetro de punto mayor mejora la uniformidad de la distribución de la densidad de energía, permite un mayor espaciado de escaneo y ayuda a aumentar la eficiencia. Un diámetro de punto menor ayuda a mejorar la fuerza de unión entre capas y las propiedades mecánicas de la pieza. El uso de la tecnología de punto variable permite escanear con un punto pequeño en los límites y con un punto grande en el interior. Esto mejora la eficiencia del escaneo, reduce la deformación y, aun así, produce piezas de alta resistencia.

Materiales para sinterización selectiva por láser

La tecnología SLS es una tecnología de fabricación aditiva basada en lecho de polvo, por lo que las características del material en polvo influyen enormemente en el rendimiento de las piezas SLS. Entre ellas, el tamaño, la distribución y la forma de las partículas de polvo son los factores más importantes. La tecnología SLS admite una amplia gama de materiales de conformado. Se han desarrollado numerosos materiales SLS tanto a nivel nacional como internacional. Según sus propiedades, se pueden clasificar en: materiales metálicos, materiales cerámicos, materiales poliméricos, etc.

Materiales poliméricos

Una ventaja destacada de la tecnología SLS es que puede procesar una variedad de materiales, incluyendo polímeros, metales y cerámicas. En comparación con los metales y las cerámicas, los materiales poliméricos tienen las ventajas de una temperatura de formación más baja, una menor potencia del láser de sinterización y una mayor precisión. Fueron los primeros y más exitosos materiales de impresión SLS y aún ocupan una posición importante. La diversidad de sus tipos, rendimiento y diversas tecnologías de modificación ofrecen un amplio espacio para su aplicación en SLS. La tecnología SLS requiere que los materiales poliméricos se conviertan en polvo sólido con un tamaño de partícula promedio entre 10 y 100 μm. Deben fundirse (o ablandarse, reaccionar) y unirse después de absorber la energía del láser sin una degradación severa. Actualmente, los principales materiales poliméricos utilizados para SLS son los termoplásticos y sus compuestos. Los termoplásticos se pueden dividir en tipos cristalinos y amorfos.

Polímeros amorfos

Los polímeros amorfos comienzan a tener un movimiento activo de cadena molecular a la temperatura de transición vítrea (Tg), y el polvo comienza a unirse con fluidez reducida. Por lo tanto, durante la sinterización selectiva por láser (SLS), la temperatura de precalentamiento del polvo de polímero amorfo no puede superar la Tg. Para reducir la deformación de la pieza sinterizada, generalmente se ajusta ligeramente por debajo de la Tg. Cuando el material absorbe energía láser, la temperatura aumenta por encima de la Tg y se produce la sinterización. Los polímeros amorfos tienen una alta viscosidad a la Tg, y la velocidad de sinterización es inversamente proporcional a la viscosidad. Esto da como resultado una velocidad de sinterización muy baja, baja densidad y resistencia de la pieza sinterizada (estructura porosa), pero alta precisión dimensional. En teoría, aumentar la densidad de energía láser puede aumentar la densidad, pero en la práctica, una densidad de energía excesivamente alta a menudo causa una descomposición severa del polímero, reduciendo la densidad en su lugar. También intensifica la sinterización secundaria y reduce la precisión. Por lo tanto, los polímeros amorfos se utilizan generalmente para fabricar piezas que no requieren alta resistencia pero sí alta precisión dimensional. Entre los polímeros amorfos comunes utilizados en la sinterización selectiva por láser (SLS) se incluyen el policarbonato (PC), el poliestireno (PS), el poliestireno de alto impacto (HIPS) y el polimetilmetacrilato (PMMA).

Polímeros cristalinos

La temperatura de sinterización de los polímeros cristalinos es superior a su temperatura de fusión (Tm). Por encima de Tm, los polímeros cristalinos presentan una viscosidad de fusión muy baja, por lo que su velocidad de sinterización es alta y la densidad de las piezas sinterizadas es muy elevada, generalmente superior al 95 %. Por lo tanto, cuando el material posee una alta resistencia intrínseca, las piezas sinterizadas de polímeros cristalinos presentan una alta resistencia. Sin embargo, los polímeros cristalinos experimentan una gran contracción durante la fusión y la cristalización, y la contracción volumétrica causada por la sinterización también es muy grande. Esto los hace propensos a la deformación por alabeo durante la sinterización, lo que resulta en una menor precisión dimensional. Actualmente, el nailon es el polímero cristalino más utilizado en la sinterización selectiva por láser (SLS). Otros polímeros cristalinos, como el polipropileno, el polietileno de alta densidad y la poliéter éter cetona, también se utilizan en esta tecnología.

Los productos poliméricos termoplásticos industriales suelen presentarse en forma de gránulos. Estos polímeros granulares deben pulverizarse antes de su uso en el proceso SLS. Los materiales poliméricos poseen viscoelasticidad. Al triturarse a temperatura ambiente, el calor generado aumenta la viscoelasticidad, dificultando la trituración. Además, las partículas trituradas pueden volver a unirse, reduciendo la eficiencia de la trituración e incluso provocando estiramiento por fusión. Por lo tanto, los métodos de trituración convencionales no permiten obtener un polvo adecuado para SLS. El método principal para preparar polvo polimérico a nivel micrométrico es la molienda criogénica. Este método aprovecha la fragilidad a baja temperatura de los materiales poliméricos para obtener el polvo. Materiales poliméricos comunes como el poliestireno, el policarbonato, el polietileno, el polipropileno, los polimetacrilatos, el nailon, el ABS y el poliéster pueden pulverizarse mediante molienda criogénica.

Materiales en polvo a base de cerámica

Debido a que los materiales cerámicos tienen puntos de fusión muy altos, es difícil fundirlos directamente con láser. Las piezas cerámicas también se fabrican mediante métodos indirectos. Durante el conformado SLS, el láser funde el aglutinante, que une el polvo cerámico para obtener la forma deseada. Luego, se utilizan pasos de postprocesamiento, como la infiltración o el prensado isostático, para dar a la pieza cerámica la densidad y resistencia suficientes. Si se añade muy poco aglutinante, es difícil unir las partículas cerámicas, lo que puede provocar fácilmente la delaminación. Si se añade demasiado aglutinante, la fracción volumétrica de cerámica en el cuerpo verde se vuelve demasiado pequeña, lo que puede provocar fácilmente grietas, contracción y deformación durante el desaglutinado. Los métodos de adición de aglutinante incluyen principalmente la mezcla mecánica y los métodos de recubrimiento. El método de recubrimiento generalmente se logra mediante disolución, precipitación o evaporación de disolvente.

Materiales en polvo a base de metales

La sinterización selectiva por láser (SLS) consiste en la formación indirecta de polvo metálico mediante la mezcla uniforme de polvo metálico con polvo polimérico (aglutinante). La energía del láser es absorbida por el polvo, lo que provoca un aumento de temperatura que ablanda o funde el aglutinante polimérico, convirtiéndolo en un flujo viscoso y uniendo así el polvo metálico para formar la pieza inicial en verde. Posteriormente, se utilizan procesos de desaglutinación, sinterización a alta temperatura, infiltración metálica o impregnación con resina para obtener la pieza metálica final.

Además, otro método utiliza polvos metálicos de bajo punto de fusión, como Cu y Sn, como aglutinantes para la fabricación de piezas metálicas compuestas. Este tipo de aglutinante permanece en la pieza en verde tras el proceso de conformado. Debido a la alta resistencia del propio aglutinante metálico de bajo punto de fusión, la pieza en verde presenta una alta densidad y resistencia, lo que permite obtener piezas metálicas de alto rendimiento sin necesidad de eliminar el aglutinante ni realizar procesos de sinterización a alta temperatura. Con el desarrollo de la tecnología SLM, la investigación sobre la fabricación de piezas metálicas mediante SLS es cada vez menos frecuente.

Aplicaciones de la sinterización selectiva por láser

Patrones de fundición de inversión

Mediante equipos SLS de gran plataforma, se pueden fabricar patrones de fundición de precisión y moldes de arena, grandes y complejos, en cuestión de días o incluso horas. Durante el proceso de conformado, bajo una temperatura de precalentamiento preestablecida, se extiende una capa de polvo sobre la mesa de trabajo con un rodillo esparcidor. A continuación, el rayo láser, controlado por ordenador, escanea el polvo en las zonas sólidas según la información del contorno de la sección transversal del patrón o molde de arena. Esto eleva la temperatura del polvo hasta el punto de fusión, funde los límites de las partículas y las une. El polvo en las zonas no sinterizadas permanece suelto y sirve de soporte a la pieza de trabajo y a la siguiente capa. Tras la formación de una capa, la mesa de trabajo desciende la altura de una capa y se procede a la siguiente capa de esparcimiento y sinterización de polvo. Este ciclo se repite para formar el patrón tridimensional y el molde de arena. Los patrones y moldes de arena formados rápidamente se utilizan posteriormente en fundición de precisión y fundición en arena para producir componentes clave para sectores importantes como el aeroespacial, el militar, el naval, el automotriz y el de máquinas herramienta en China. Esto reduce los pasos del proceso, acorta los ciclos, disminuye los costos y logra el objetivo de reducir a la mitad tanto el costo como el tiempo de ciclo en la fundición, mejorando así la tecnología de fundición tradicional. Por lo tanto, el uso de SLS para fabricar machos de arena revestidos tiene un gran potencial en la fundición.

Biomanufactura

El uso de SLS para formar biopolímeros para implantes médicos personalizados y andamios de ingeniería de tejidos es actualmente uno de los temas de investigación más relevantes en el campo de SLS. Mediante el diseño asistido por computadora, la tecnología SLS permite producir andamios de tejido porosos tridimensionales e implantes biológicos personalizados con estructura y propiedades mecánicas controlables. Permite controlar eficazmente la porosidad, la forma y el tamaño de los poros, así como la estructura externa, promoviendo la adhesión, la diferenciación y la proliferación celular, y mejorando la biocompatibilidad del andamio. Actualmente, los biopolímeros adecuados para SLS son principalmente materiales poliméricos sintéticos, como el ácido poli-L-láctico (PLLA), la policaprolactona (PCL), la poliéter éter cetona (PEEK), el alcohol polivinílico (PVA), etc. Estos se combinan frecuentemente con materiales cerámicos bioactivos como la hidroxiapatita (HAp) o el β-fosfato tricálcico (β-TCP) para obtener una buena bioactividad.

Piezas funcionales de polímero

Las piezas de polímero fabricadas mediante SLS presentan un buen rendimiento y pueden utilizarse directamente como piezas funcionales de plástico. Los materiales empleados en la fabricación mediante SLS son principalmente termoplásticos y sus compuestos. Los termoplásticos se dividen en cristalinos y amorfos. Debido a que los polímeros cristalinos y amorfos poseen propiedades térmicas completamente diferentes, existen grandes diferencias en los parámetros de sinterización láser y en el rendimiento de las piezas.

Tolerancia y capacidades

En Getzshape, nuestro servicios de impresión 3D personalizados Cubrimos cuatro tecnologías principales: SLA, SLS, SLM y FDM. A continuación, se detallan nuestras tolerancias y capacidades de impresión 3D SLS.

Acabados superficiales para componentes impresos mediante SLS

TinturaComo método de coloración más eficiente y económico, el teñido se utiliza principalmente para realzar el atractivo estético de los componentes SLS. Garantiza una penetración uniforme del color sin alterar las dimensiones de las piezas.

• Materiales compatibles: PA12, PA12-GF, TPU
• Paleta de colores: Negro, gamas Pantone y RAL

Pintura con pistolaPara aplicaciones donde el teñido no es viable o se requieren acabados específicos, la pintura en aerosol ofrece una alternativa muy versátil. Proporciona una igualación de color precisa y una cobertura superior de la superficie para un aspecto de primera calidad.

• Materiales compatibles: Todos los materiales SLS
• Paleta de colores: Negro, gamas Pantone y RAL

Suavizado de vaporEste proceso refina y sella la superficie de las piezas SLS mediante un tratamiento químico con vapor. Al eliminar la porosidad superficial y reducir los puntos de inicio de grietas, mejora significativamente el rendimiento mecánico, en particular la elongación a la rotura, la resistencia al impacto y la resistencia a la fatiga.

• Materiales compatibles: PA12, TPU