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)
Метод Selective Laser Sintering или выборочное (селективное) лазерное спекание , был придуман доктором Карлом Декартом совместно с группой студентов в университете Остина, штат Техас. Впервые он был запатентован в 1989 году фирмой DTM Corporation, которая в 2001 году была куплена компанией 3D Systems.
Что такое лазерное спекание?
Технологический процесс состоит из двух этапов: вначале ровный тонкий слой порошка равномерно размещается по всей рабочей площадке, после чего включается лазер и запекает 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.
На каждом этапе SLS-печати можно выбирать, как лучше действовать. Порошок может распыляться или наноситься валиком. Запекание может проводиться только на участке, который соответствует границе перехода, или 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.
Материалы
Перечень используемых материалов постепенно разрастается, на сегодняшний день могут применяться в качестве порошка частицы:
- пластика;
- металла;
- керамики;
- стекла;
- нейлона.
Готовое изделие часто обрабатывают. Например, погружают в специальную печь для выжигания технологических полимеров, которые нужны на этапе спекания, если используют порошки композитных металлов. Также возможна полировка для удаления видимых переходов между слоями. Технологии и материалы непрерывно совершенствуются, благодаря чему этап финишной обработки становится всё менее актуальным.
Основные производители SLS-принтеров – EOS (Германия) и 3D Systems (США). Они предлагают серийные установки для создания самых больших объектов: 730×380×580мм и 550×550×750мм соответственно. Однако в 2011 году в китайском университете Хуачжонг была построена самая большая в мире SLS-машина, способная синтезировать объекты размером 1200×1200мм.
Технология SLS
SLS прототипирование позволяет исследовать аэродинамические характеристики гоночных автомобилейВыборочное лазерное спекание (SLS) – метод аддитивного производства , используемый для создания функциональных прототипов и мелких партий готовых изделий. 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.
История
Принцип работы SLS принтеров
Технология выборочного лазерного спекания (SLS) была разработана Карлом Декардом и Джозефом Биманом из Университета Техаса в Остине в середине 1980-х. Исследования финансировались Агентством передовых оборонных исследовательских проектов США (DARPA). Впоследствии, Декард и Биман были вовлечены в компанию DTM, образованную для продвижения технологии SLS на рынок. В 2001 году DTM была выкуплена конкурирующей компанией . Последний из патентов по технологии SLS был заявлен 28 января 1997 года. Его срок действия истек 28 января 2014 года, что делает технологию общедоступной.
Аналогичный метод был запатентован Р. Ф. Хаусхолдером в 1979 году, но не получил коммерческого распространения.
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 (см. ), 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.
Специфика технологии позволяет создавать детали практически неограниченной сложности из различных материалов
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
Компания New Balance использует технологию SLS при создании обуви для профессиональных атлетов
Некоторые SLS устройства используют однородный порошок (см. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)), 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.
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/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.
Вконтакте
Одноклассники
3D печать – это выполнение ряда повторяющихся операций, связанных с созданием объёмных моделей путём нанесения на рабочий стол установки тонкого слоя расходных материалов , смещением рабочего стола вниз на высоту сформированного слоя и удалением с поверхности рабочего стола отработанных отходов. Циклы печати непрерывно следуют друг за другом: на предыдущий слой материалов наносится следующий слой, стол снова опускается и так повторяется до тех пор, пока на элеваторе (так называют рабочий стол, которым оснащён 3D принтер) не окажется готовая модель.
Существует несколько технологий 3D печати, которые отличаются друг от друга по типу прототипирующего материала и способам его нанесения. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие технологии 3D печати: стереолитография, лазерное спекание порошковых материалов, технология струйного моделирования, послойная печать расплавленной полимерной нитью, технология склеивания порошков, ламинирование листовых материалов и УФ-облучение через фотомаску. Охарактеризуем перечисленные технологии подробнее.
Стереолитография
Стереолитография – она же Stereo Lithography Apparatus или сокращённо SLA благодаря низкой себестоимости готовых изделий получила наибольшее распространений среди технологий 3D печати.
Технология SLA состоит в следующем: сканирующая система направляет на фотополимер лазерный луч, под действием которого материал твердеет. В качестве фотополимера используется хрупкий и твёрдый полупрозрачный материал, который коробится под действием атмосферной влаги. Материал легко склеивается, обрабатывается и окрашивается. Рабочий стол находится в ёмкости с фотополимерной композицией. После прохождения лазерного луча и отверждения очередного слоя его рабочая поверхность смещается вниз на 0,025 мм – 0,3 мм.
SLA технология
Оборудование для SLA печати изготавливают компании F& S Stereolithographietechnik GmbH, 3DSystem, а также Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН.
Ниже показаны шахматные фигуры, созданные методом SLA печати.
Шахматные фигуры, созданные методом SLA печати
Лазерное спекание порошковых материалов
Лазерное спекание порошковых материалов – оно же Selective Laser Sintering или просто SLS является единственной технологией 3D печати, которая может быть использована для изготовления металлических формообразующих для металлического и пластмассового литья. Пластмассовые прототипы обладают хорошими механическими свойствами, благодаря которым они моту быть использованы для изготовления полнофункциональных изделий.
В SLS печати используются материалы, близкие по своим свойствам к конструкционным маркам: металл, керамика, порошковый пластик. Порошковые материалы наносятся на поверхность рабочего стола и запекаются лазерным лучом в твёрдый слой, соответствующий сечению 3D модели и определяющий её геометрию.
SLS технология
Оборудование для SLS-печати изготавливают следующие заводы: 3D Systems, F& S Stereolithographietechnik GmbH, The ExOne Company / Prometal, EOS GmbH.
На рисунке представлена скульптурная модель «Так держать», изготовленная методом SLS печати.
Скульптурная модель «Так держать», изготовленная методом SLS печати, автор Лука Ионеску
Послойная печать расплавленной полимерной нитью
Послойная печать расплавленной полимерной нитью – она же Fused Deposition Modeling или просто FDM применяется для получения единичных изделий, приближенных по своим функциональным возможностям к серийным изделиям, а также для изготовления выплавляемых форм для литья металлов.
Технология FDM печати заключается в следующем: выдавливающая головка с контролируемой температурой разогревает до полужидкого состояния нити из ABC пластика, воска или поликарбоната, и с высокой точностью подаёт полученный термопластичный моделирующий материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие.
Технология FDM печати
В настоящее время 3D принтеры с технологией FDM печати изготавливаются компанией Stratasys Inc.
На картинке изображена модель, напечатанная 3D принтером с технологией FDM печати.
Модель, напечатанная 3D принтером с технологией FDM печати
Технология струйного моделирования
Технология моделирования или Ink Jet Modelling имеет следующие запатентованные подвиды: 3D Systems (Multi-Jet Modeling или MJM), PolyJet (Objet Geometries или PolyJet) и Solidscape (Drop-On-Demand-Jet или DODJet).
Перечисленные технологии функционируют по одному принципу, но каждая из них имеет свои особенности. Для печати используются поддерживающие и моделирующие материалы. К числу поддерживающих материалов чаще всего относят воск, а к числу моделирующих – широкий спектр материалов, близких по своим свойствам к конструкционным термопластам. Печатающая головка 3D принтера наносит поддерживающий и моделирующий материалы на рабочую поверхность, после чего производится их фотополимеризация и механическое выравнивание.
Технология струйного моделирования позволяет получить окрашенные и прозрачные модели с различными механическими свойствами, это могут быть как мягкие, резиноподобные изделия, так и твёрдые, похожие на пластики.
Технология струйного моделирования
Принтеры для 3D печати с использованием технологии струйного моделирования изготавливают следующие компании: Solidscape Inc, Objet Geometries Ltd, 3D Systems.
Технология склеивания порошков
– она же Binding powder by adhesives позволяет не просто создавать объёмные модели, но и раскрашивать их.
Принтеры с технологией binding powder by adhesives используют два вида материалов: крахмально-целлюлозный порошок, из которого формируется модель, и жидкий клей на водной основе, проклеивающий слои порошка. Клей поступает из печатающей головки 3D принтера, связывая между собой частицы порошка и формируя контур модели. После завершения печати излишки порошка удаляются. Чтобы придать модели дополнительную прочность, её пустоты заливаются жидким воском.
Технология склеивания порошков
Условные обозначения:
1-2 – ролик наносит тонкий слой порошка на рабочую поверхность; 3 – струйная печатающая головка печатает каплями связующей жидкости на слое пороша, локально укрепляя часть сплошного сечения; 4 – процесс 1-3 повторяется для каждого слоя до готовности модели, оставшийся порошок удаляется
В настоящее время 3D принтеры с технологией склеивания порошков изготавливаются компанией Z Corporation.
Ламинирование листовых материалов
Ламинирование листовых материалов – оно же Laminated Object Manufacturing или LOM предполагает изготовление 3D моделей из бумажных листов при помощи ламинирования. Контур очередного слоя будущей модели вырезается лазером, а ненужные обрезки режутся на небольшие квадратики, которые впоследствии удаляются из принтера. Структура готового изделия похожа на древесную, но боится влаги.
Технология ламинирования листовых материалов
До недавнего времени 3D принтеры для ламинирования листовых материалов производила компания Helisys Inc, но в настоящее время компания прекратила выпуск такого оборудования.
Объект, напечатанный на 3D принтере с технологией ламинирования листовых материалов, показан на фото ниже.
Модель, напечатанная 3D принтером с технологией LOM
Облучение ультрафиолетом через фотомаску
Облучение ультрафиолетом через фотомаску – оно же Solid Ground Curing или SGC предполагает создание готовых моделей из слоёв распыляемого на рабочую поверхность фоточувствительного пластика. После нанесения тонкого слоя пластика он через специальную фотомаску с изображением очередного сечения обрабатывается ультрафиолетовыми лучами. Неиспользованный материал удаляется при помощи вакуума, а оставшийся затвердевший материал повторно облучается жёстким ультрафиолетом. Полости готового изделия заполняются расплавленным воском, который служит для поддержки следующих слоёв. Перед нанесением последующего слоя фоточувствительного пластика предыдущий слой механически выравнивается.
Вконтакте