Что такое SLS 3D-печать и как она работает?

Селективное лазерное спекание — одна из распространенных технологий 3D-печати в быстром прототипировании. Эта технология использует лазер для взаимодействия с порошковым материалом и послойного создания деталей. В данной статье объясняется основной принцип 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLS), описывается принцип работы технологии, излагается полный процесс, определяются подходящие материалы и обсуждаются области ее применения.

Обзор SLS 3D-печати

Селективное лазерное спекание (SLS) — это технология аддитивного производства, использующая лазер для взаимодействия с порошковым материалом и послойного создания деталей. Обычно в качестве источника лазерного излучения используется CO₂-лазер. На основе данных о слоях, введенных компьютером, происходит выборочное сканирование и спекание каждого слоя. SLS — это высокогибкая и адаптируемая технология аддитивного производства. Она преодолевает ограничения традиционных методов формования материалов и субтрактивного производства. Для её применения не требуются пресс-формы или опорные конструкции. Материал добавляется для формирования детали. Преимуществами SLS являются высокая свобода проектирования, короткий цикл разработки продукта и низкая себестоимость производства. Она позволяет быстро изготавливать сложные детали из полимеров, металла и керамики.

Принцип селективного лазерного спекания

Перед сканированием в технологии SLS порошок необходимо предварительно нагреть до температуры ниже точки плавления. Это уменьшает термическую деформацию и проблемы с прилипанием порошка во время лазерного сканирования, а также способствует сцеплению слоев. Программное обеспечение управляет работой лазера, регулировкой мощности, предварительным нагревом порошка, роликом для распределения порошка и перемещением порошкового цилиндра.

После установки параметров лазерного процесса, таких как мощность лазера, скорость сканирования, шаг сканирования и толщина слоя, компьютер управляет лазером для излучения высокоточного лазерного луча. Лазер избирательно сканирует слой порошка в соответствии с входными данными трехмерной модели слоя. Сканируемая область на слое порошка поглощает энергию лазера, и температура начинает повышаться. Когда температура достигает точки размягчения или точки плавления порошкового материала, сканируемый порошок начинает течь. Отдельные частицы порошка начинают соприкасаться друг с другом, образуя спекающие перемычки и склеиваясь. Несканируемые области остаются в порошкообразном виде и служат опорой для сканируемых областей.

После завершения сканирования лазером заданной области часть тепла передается нижнему слою порошка за счет теплопроводности, что создает связь между текущим слоем и нижележащим слоем. Оставшееся тепло медленно рассеивается за счет конвекции и излучения на поверхности. Температура начинает падать, и частицы порошка постепенно охлаждаются и затвердевают. Частицы порошка в сканируемой области соединяются друг с другом, образуя требуемый контур.

После завершения сканирования одного слоя лазером, рабочий цилиндр опускается на толщину одного слоя, а цилиндр подачи порошка поднимается на соответствующую высоту. Затем ролик для распределения порошка перемещается и вращается в сторону рабочего цилиндра, выталкивая излишки порошка с его поверхности на рабочий цилиндр, образуя новый слой порошка с точно заданной толщиной. Затем следующий слой спекается. Этот процесс повторяется слой за слоем, пока вся деталь не будет готова.

После спекания всех секций напечатанная деталь извлекается из порошкового слоя. Неспеченный порошок с поверхности и внутри сложных структур тщательно удаляется. Затем выполняются этапы постобработки, такие как шлифовка и сушка, для получения окончательной трехмерной твердотельной детали.

Технология SLS, представляющая собой совершенно иную технологию быстрого производства по сравнению с традиционными технологиями обработки материалов, обладает множеством преимуществ при изготовлении деталей:

• Широкий спектр источников материалов. Теоретически, любой порошковый материал, способный к образованию связей между частицами после лазерного спекания, может быть использован в качестве материала для SLS-печати.
• Простой производственный процесс. Весь процесс контролируется компьютером. Для изготовления детали на оборудовании SLS требуется только проектирование модели и подготовка сырья. Производственный процесс относительно прост.
• Относительно высокая точность формования. Точность формованной детали зависит от точности лазерного сканирования и размера зоны термического воздействия, которые можно регулировать изменением параметров процесса.
• Подходит для изготовления деталей сложной формы без опорных конструкций или пресс-форм. Неспеченный порошок в несканируемых областях остается и поддерживает нависающие слои. Пресс-формы не требуются, поэтому можно изготавливать даже очень сложные формы.
• Высокий коэффициент использования материалов. Неиспользованный порошок после одной сборки может быть использован повторно, что повышает эффективность использования материалов и снижает затраты.

Процесс селективного лазерного спекания

Технология лазерного спекания позволяет использовать множество различных порошковых материалов для изготовления деталей из соответствующих материалов. Благодаря отработанной технологии, напечатанные детали, как правило, обладают хорошей точностью и высокой прочностью. Однако самым большим преимуществом SLS является возможность прямой печати готовых металлических деталей. Напечатанные компоненты напрямую соответствуют требованиям испытаний. Технология лазерного спекания позволяет напрямую или косвенно спекать металлические детали, при этом прочность конечного материала значительно выше, чем у других технологий 3D-печати.

В соответствии с принципом процесса SLS, описанным ранее, конкретный процесс можно суммировать следующим образом:

1. В течение всего процесса печати температура в печатной камере постоянно поддерживается на уровне немного ниже точки плавления порошкового материала.
2. Нанесите порошкообразный материал на верхнюю поверхность уже сформированной детали и выровняйте его.
3. Для облучения участка детали на новом слое используется высокоинтенсивный CO₂-лазер. Порошок материала спекается под воздействием высокоинтенсивного лазера и соединяется с ранее сформированной деталью под ним.
4. После спекания одного слоя система нанесения порошка распределяет новый слой порошкового материала, после чего производится печать следующего слоя.

Несмотря на очевидные преимущества технологии лазерного спекания, у неё есть и недостатки. Во-первых, порошковое спекание приводит к образованию шероховатой поверхности, требующей последующей шлифовки. Во-вторых, она требует мощных лазеров, что означает более высокие затраты на оборудование и техническое обслуживание, а также на вспомогательные компоненты защиты и управления. Общая техническая сложность оборудования высока, а производство затруднено. Обычные пользователи не могут себе этого позволить, что затрудняет его широкое внедрение.

Параметры процесса селективного лазерного спекания

Качественные детали, напечатанные методом SLS, должны обладать достаточной точностью и прочностью. Если точность недостаточна, готовая деталь не будет соответствовать требованиям. Если прочность слишком низка, деталь не сможет сохранять сложные формы или подвергаться постобработке, что приведет к повреждению детали или недостаточной прочности. Только когда частицы порошка полностью размягчатся и скрепятся, прочность сформированной детали может быть улучшена. Для этого требуется достаточное количество тепла в зоне лазерного спекания для расплавления частиц порошка. Однако слишком высокая плотность лазерной энергии создаст большую зону термического воздействия за счет теплопроводности, что приведет к большим погрешностям размеров и ухудшению точности формования. Поэтому влияние плотности лазерной энергии на прочность и точность необходимо учитывать совместно при установлении разумных параметров процесса.

Мощность лазера

Выходная мощность лазерной энергии в основном определяется мощностью лазера. Тепло от лазера, воздействующего на порошок, передается тремя путями: поглощается порошком в выбранной области, отводится в окружающие области или теряется в воздух посредством конвекции, излучения и отражения. Лазерный луч является движущимся источником тепла, и время его взаимодействия с порошком обычно составляет всего несколько десятков миллисекунд. Поэтому порошок быстро нагревается и охлаждается. Во время нагрева тепловые свойства порошкового материала, такие как скорость поглощения лазерного излучения, отражательная способность и теплопроводность, изменяются с температурой. Температура в каждой точке внутри порошка также постоянно меняется. Это очень сложный, нестационарный процесс теплопередачи.

Скорость сканирования

В процессе лазерного спекания, когда лазер сканирует рабочую плоскость, частицы порошка плавятся, растекаются и соединяются. Лазер сканирует точку за точкой, образуя линии, затем линию за линией — поверхности, и, наконец, слой за слоем — твердое тело. При уменьшении скорости сканирования плотность энергии лазера увеличивается, и энергия, поглощаемая материалом вблизи точки сканирования, также увеличивается. Это увеличивает ширину и глубину зоны плавления, что способствует повышению прочности формованной детали. Поскольку ширина и глубина зоны плавления сильно влияют на расстояние между сканирующими линиями и толщину отдельного слоя, скорость сканирования должна работать совместно с этими двумя параметрами. Более низкая скорость сканирования снижает эффективность производства. Кроме того, при сканировании границ лазером увеличенная ширина зоны плавления увеличивает зону термического воздействия, что снижает точность формованной детали.

Расстояние между сканированиями

Расстояние между линиями сканирования — это расстояние между ними. Во время лазерного сканирования необходимо обеспечить сцепление только порошка в областях, находящихся в пределах линий сканирования. Температурное поле в области сканирования должно как можно меньше влиять на окружающий порошок. Расстояние между линиями сканирования обычно выбирается немного меньшим, чем диаметр лазерного пятна. Это создает небольшое перекрытие между соседними линиями сканирования без образования явных границ сцепления в одном слое. Это делает сцепление в одном слое более равномерным и предотвращает чрезмерное влияние температурного поля на окружающие области, обеспечивая лучшую точность размеров заготовки.

Толщина одного слоя

Толщина одного слоя относится к толщине распределения порошка, то есть к высоте, на которую опускается каждый цилиндр при построении детали. Распределение плотности лазерной энергии уменьшается по толщине, поэтому толщина спекаемого слоя очень ограничена. Слишком большая толщина слоя приведет к слабому сцеплению между слоями, и деталь может расслоиться или потерять прочность по высоте. Слишком малая толщина слоя приведет к повторному спеканию части уже спеченного порошка, что повлияет на качество формования. Валик для распределения порошка оказывает давление вниз на порошок, что способствует увеличению плотности упаковки порошка. Следовательно, чем меньше толщина одного слоя, тем выше плотность спеченной детали. Также существует горизонтальная сила, которая может вызвать небольшое смещение между слоями и снизить точность. Особенно для деталей с изогнутыми поверхностями лазерное спекание создает ступенчатые поверхности, которые не могут плавно переходить друг в друга, что снижает точность поверхности и формы.

Для деталей с изогнутыми поверхностями погрешность, возникающая при лазерном спекании, связана как с наклоном кривой, так и с толщиной отдельного слоя. Увеличение толщины слоя делает эффект ступенчатости более заметным, увеличивая погрешности в объеме, форме и размерах между фактически спеченной деталью и деталью, спроектированной по чертежу. Поэтому при спекании деталей с изогнутыми поверхностями толщину слоя следует соответствующим образом уменьшить, а направление обработки следует тщательно выбрать для достижения более высокой точности.

Диаметр пятна лазера

Когда лазерный луч попадает на поверхность порошка, он образует пятно определенного размера. При спекании порошка лазерным лучом возникает отклонение между контурной линией формованной детали и траекторией сканирования центра пятна, из-за чего внешний контур детали кажется немного больше. Кроме того, пятно может скруглять острые углы детали, влияя на точность формы. Влияние размера пятна на точность формования частично маскирует влияние размера частиц порошка. Диаметр лазерного пятна также оказывает большое влияние на эффективность формования. При одинаковой скорости сканирования больший диаметр пятна улучшает равномерность распределения плотности энергии, позволяет увеличить расстояние между сканирующими точками и способствует повышению эффективности. Меньший диаметр пятна способствует улучшению прочности сцепления между слоями и механических свойств детали. Использование технологии переменного пятна позволяет сканировать малыми пятнами на границах и большими пятнами внутри. Это повышает эффективность сканирования, уменьшает деформацию и при этом позволяет получать высокопрочные детали.

Материалы, полученные методом селективного лазерного спекания

Технология SLS — это технология аддитивного производства на основе порошкового слоя, поэтому характеристики порошкового материала оказывают большое влияние на свойства деталей, изготовленных методом SLS. Среди них наиболее важными являются размер частиц порошка, распределение частиц по размерам и форма частиц порошка. Технология SLS предлагает широкий спектр формовочных материалов. Многие материалы для SLS были разработаны как в стране, так и за рубежом. В зависимости от свойств материала их можно разделить на: материалы на основе металлов, материалы на основе керамики, полимерные материалы и т. д.

Полимерные материалы

Одним из главных преимуществ технологии SLS является возможность обработки различных материалов, включая полимеры, металлы и керамику. По сравнению с металлами и керамикой, полимерные материалы обладают преимуществами более низкой температуры формования, меньшей мощности лазера для спекания и более высокой точности. Они были первыми и наиболее успешными материалами для SLS-печати и до сих пор занимают важное место. Разнообразие их типов, характеристик и различных технологий модификации открывает широкие возможности для их применения в SLS. Технология SLS требует, чтобы полимерные материалы были превращены в твердый порошок со средним размером частиц от 10 до 100 мкм. После поглощения энергии лазера они должны расплавиться (или размягчиться, вступить в реакцию) и соединиться без существенной деградации. В настоящее время основными полимерными материалами, используемыми для SLS, являются термопласты и их композиты. Термопласты можно разделить на кристаллические и аморфные типы.

Аморфные полимеры

Аморфные полимеры начинают активно двигаться молекулярными цепями при температуре стеклования (Tg), и порошок начинает образовывать связи с пониженной текучестью. Поэтому при SLS температура предварительного нагрева порошка аморфного полимера не может превышать Tg. Для уменьшения деформации спеченной детали ее обычно устанавливают немного ниже Tg. Когда материал поглощает энергию лазера, температура поднимается выше Tg, и происходит спекание. Аморфные полимеры имеют высокую вязкость при Tg, и скорость спекания обратно пропорциональна вязкости. Это приводит к очень низкой скорости спекания, низкой плотности и прочности спеченной детали (пористая структура), но высокой точности размеров. Теоретически, увеличение плотности энергии лазера может повысить плотность, но на практике чрезмерно высокая плотность энергии часто приводит к сильному разложению полимера, снижая плотность. Это также усиливает вторичное спекание и снижает точность. Поэтому аморфные полимеры обычно используются для изготовления деталей, которые не требуют высокой прочности, но нуждаются в высокой точности размеров. К распространенным аморфным полимерам, используемым в SLS, относятся поликарбонат (PC), полистирол (PS), ударопрочный полистирол (HIPS) и полиметилметакрилат (PMMA).

Кристаллические полимеры

Температура спекания кристаллических полимеров выше температуры плавления (Tm). Выше Tm кристаллические полимеры имеют очень низкую вязкость расплава, поэтому скорость их спекания высока, а плотность спеченных деталей очень высока, обычно выше 95%. Следовательно, когда материал обладает высокой внутренней прочностью, спеченные детали из кристаллических полимеров обладают высокой прочностью. Однако кристаллические полимеры имеют большую усадку во время плавления и кристаллизации, а также очень большую объемную усадку, вызванную спеканием. Это делает их склонными к деформации при спекании, что приводит к ухудшению точности размеров. В настоящее время нейлон является наиболее часто используемым кристаллическим полимером в технологии SLS. Другие кристаллические полимеры, такие как полипропилен, полиэтилен высокой плотности и полиэфирэфиркетон, также используются в технологии SLS.

Промышленные термопластичные полимерные изделия обычно представляют собой гранулы. Гранулированные полимеры необходимо измельчить в порошок, прежде чем их можно будет использовать в процессе SLS. Полимерные материалы обладают вязкоупругостью. При измельчении при комнатной температуре выделяемое тепло увеличивает вязкоупругость, что затрудняет измельчение. Измельченные частицы также могут повторно связываться, снижая эффективность измельчения и даже вызывая вытягивание расплава. Поэтому традиционные методы измельчения не позволяют получить порошок, пригодный для SLS. Основным методом получения порошка полимеров микронного размера является криогенное измельчение. Этот метод использует хрупкость полимерных материалов при низких температурах для получения порошка. Распространенные полимерные материалы, такие как полистирол, поликарбонат, полиэтилен, полипропилен, полиметакрилаты, нейлон, АБС-пластик и полиэстер, могут быть измельчены в порошок с помощью криогенного измельчения.

Порошковые материалы на основе керамики

Поскольку керамические материалы имеют очень высокие температуры плавления, их сложно расплавить напрямую с помощью лазера. Керамические детали также изготавливаются косвенными методами. В процессе SLS-формования лазер расплавляет связующее вещество, которое связывает керамический порошок, обеспечивая получение желаемой формы. Затем используются этапы постобработки, такие как инфильтрация или изостатическое прессование, для придания керамической детали достаточной плотности и прочности. Если добавить слишком мало связующего вещества, трудно связать керамические частицы, что легко приводит к расслоению. Если добавить слишком много связующего вещества, объемная доля керамики в заготовке становится слишком малой, что легко приводит к растрескиванию, усадке и деформации во время удаления связующего вещества. Методы добавления связующего вещества в основном включают механическое смешивание и методы нанесения покрытия. Метод нанесения покрытия обычно осуществляется путем растворения, осаждения или испарения растворителя.

Порошковые материалы на основе металлов

Метод SLS (Self-Land Seltorship) — это непрямое формование металлического порошка путем равномерного смешивания металлического порошка с полимерным порошком (связующим). Энергия лазера поглощается порошковым материалом, вызывая повышение температуры, которое размягчает или плавит полимерное связующее, переводя его в вязкое текучее состояние и связывая металлический порошок вместе, образуя исходную металлическую заготовку. Затем для получения конечной металлической детали используются процессы удаления связующего, высокотемпературного спекания, пропитки металлом или пропитки смолой.

Кроме того, существует еще один метод, использующий порошки низкоплавких металлов, таких как медь и олово, в качестве связующих для изготовления композитных металлических деталей. Этот тип связующего остается в заготовке после формования. Поскольку само низкоплавкое металлическое связующее обладает высокой прочностью, заготовка имеет высокую плотность и прочность, поэтому высокоэффективные металлические детали могут быть получены без удаления связующего или высокотемпературного спекания. С развитием технологии SLM исследования по изготовлению металлических деталей с использованием SLS становятся все менее распространенными.

Применение селективного лазерного спекания

Модели литья по выплавляемым моделям

Крупногабаритные и сложные прецизионные модели для литья по выплавляемым моделям и песчаные формы могут быть изготовлены за несколько дней или даже часов с использованием крупногабаритного оборудования SLS. В процессе формования, при заданной температуре предварительного нагрева, слой порошка распределяется по рабочему столу с помощью порошкового валика. Затем лазерный луч под управлением компьютера сканирует порошок в твердых областях в соответствии с информацией о контуре поперечного сечения модели или песчаной формы. Это повышает температуру порошка до точки плавления, расплавляет границы частиц и связывает порошок. Порошок в неспеченных областях остается рыхлым и поддерживает заготовку и следующий слой. После формирования одного слоя рабочий стол опускается на высоту одного слоя, и выполняется распределение и спекание следующего слоя порошка. Этот цикл продолжается для формирования трехмерной модели и песчаной формы. Быстро сформированные модели и песчаные формы затем используются в литье по выплавляемым моделям и литье в песчаные формы для производства ключевых компонентов для таких важных областей, как аэрокосмическая промышленность, военная промышленность, судостроение, автомобилестроение и станкостроение в Китае. Это сокращает количество технологических этапов, укорачивает циклы, снижает затраты и позволяет достичь цели «уменьшения вдвое как стоимости, так и времени цикла» в литье, улучшая традиционные технологии литья. Поэтому использование SLS для изготовления покрытых песчаных стержней имеет широкие перспективы в литье.

Биопроизводство

Использование технологии селективного лазерного спекания (SLS) для получения биополимеров для персонализированных медицинских имплантатов и каркасов для тканевой инженерии в настоящее время является одним из наиболее актуальных направлений исследований в области SLS. Благодаря компьютерному проектированию, технология SLS позволяет создавать трехмерные пористые тканевые каркасы и персонализированные биологические имплантаты с контролируемой структурой и механическими свойствами. Она позволяет эффективно контролировать пористость, форму пор, размер пор и внешнюю структуру, тем самым способствуя адгезии, дифференцировке и пролиферации клеток, а также улучшая биосовместимость каркаса. В настоящее время биополимеры, подходящие для SLS, в основном представляют собой синтетические полимерные материалы, включая поли-L-молочную кислоту (PLLA), поликапролактон (PCL), полиэфирэфиркетон (PEEK), поливиниловый спирт (PVA) и др. Их часто комбинируют с биоактивными керамическими материалами, такими как гидроксиапатит (HAp) или β-трикальцийфосфат (β-TCP), для получения хорошей биоактивности.

Функциональные детали из полимеров

Полимерные детали, изготовленные методом SLS, обладают хорошими эксплуатационными характеристиками и могут использоваться непосредственно в качестве функциональных пластиковых деталей. Материалы, используемые для SLS-формования, в основном представляют собой термопласты и их композиты. Термопласты можно разделить на кристаллические и аморфные. Поскольку кристаллические и аморфные полимеры имеют совершенно разные тепловые свойства, существуют огромные различия в параметрах лазерного спекания и характеристиках деталей.

Допуски и возможности

В Getzshape мы индивидуальные услуги 3D-печати Мы используем четыре основные технологии: SLA, SLS, SLM и FDM. Допуски и возможности нашей SLS-печати указаны ниже.

Обработка поверхности компонентов, напечатанных методом SLS.

крашениеОкрашивание, как наиболее эффективный и экономичный метод, в основном используется для улучшения эстетической привлекательности компонентов, изготовленных методом селективного лазерного спекания (SLS). Оно обеспечивает равномерное проникновение цвета без изменения размеров детали.

• Совместимые материалы: PA12, PA12-GF, TPU
• Цветовая палитра: черный, Pantone и RAL.

Спрей живописиДля тех случаев, когда окрашивание невозможно или требуются особые виды отделки, покраска распылением является универсальной альтернативой. Она обеспечивает точное соответствие цвета и превосходное покрытие поверхности для получения высококачественного внешнего вида.

• Совместимые материалы: Все материалы, полученные методом SLS.
• Цветовая палитра: черный, Pantone и RAL.

Сглаживание паровЭтот процесс улучшает и герметизирует поверхность деталей, изготовленных методом селективного лазерного спекания (SLS), посредством химической обработки в паровой фазе. Устраняя пористость поверхности и уменьшая количество точек зарождения трещин, он значительно повышает механические характеристики, в частности, относительное удлинение при разрыве, ударопрочность и усталостную прочность.

• Совместимые материалы: PA12, TPU