Рейтинг (3.41)

Основы 3D-печати методом SLS

Что такое SLS?

Всем привет, Друзья! С Вами 3DTool!

В этой статье, мы подробно расскажем об одной из самых перспективных технологий 3D-печати. Селективном лазерном спекании.

Селективное лазерное спекание (SLS) — это процесс аддитивного производства, относящийся к широкому семейству методов синтеза на подложке. В SLS лазер выборочно спекает частицы полимерного порошка, сплавляя их друг с другом и тем самым создавая слой за слоем. В качестве материала построения используются гранулированные термопластичные полимеры. Варианты подобных устройств можно рассмотреть в нашем каталоге. Например, 3d-принтер Sintratec.

Данная технология используется, как для создания прототипов функциональных изделий из полимеров, так и для интеграции в небольшие производственные циклы, поскольку предлагает полную свободу проектирования, высокую точность и производит детали с хорошими и стабильными механическими свойствами, в отличие от FDM или SLA.

Естественно, как и в любом другом случае, возможности технологии могут быть использованы в полной мере, только если принимать во внимание ее ключевые преимущества и недостатки, поэтому давайте подробно разберем ее особенности и принцип функционирования.

Процесс печати методом SLS

Как работает SLS?

Процесс изготовления методом SLS работает следующим образом:

I. Камера с порошком, как и вся область печати нагревается чуть ниже температуры плавления полимера, после чего выравнивающее лезвие распределяет тонкий слой порошка по рабочей платформе.

II. СО2-лазер сканирует контур следующего слоя и выборочно спекает (сплавляет) частицы порошка полимера. Поперечное сечение компонента сканируется (спекается) полностью, поэтому деталь получается монолитной.

III. Когда слой завершен, рабочая платформа движется вниз, и лезвие вновь покрывает порошком поверхность.

Процесс повторяется до тех пор, пока вся деталь не будет готова.

После печати деталь полностью герметизируется в не спечённом порошке, поэтому перед тем, как её доставать, камера и порошок должны остыть. Остывание может занимать значительное количество времени, вплоть до 12 часов. Затем получившаяся деталь очищается от остатков порошка сжатым воздухом. Не спечённый порошок собирается для дальнейшего повторного использования.

Схема SLS 3D-принтера.

Характеристики SLS-печати

Параметры принтера

В SLS практически все параметры печати устанавливаются производителем принтера. Высота слоя по умолчанию составляет 100-120 мкм. Например, упомянутый нами выше 3D-принтер Sintratec позволяет печатать куда более тонким слоем, заявленная производителем толщина слоя варьируется от 50 до 150 микрон.

Основным преимуществом метода SLS является то, что деталь не нуждается в поддержках. В данном случае не спечённый порошок играет роль необходимой поддержки. По этой причине методом SLS можно печатать геометрии любой формы, невозможные при печати любым другим методом аддитивного или субстрактивного производства.

При печати данным методом очень важно по возможности использовать максимальный объем области печати, особенно при мелкосерийном производстве. Независимо от количества деталей в области печати, при одинаковой общей высоте, печать займет одинаковое время. Это связано с тем, что именно этап повторного покрытия определяет общее время печати (само лазерное сканирование и спекание происходит очень быстро), и принтеру приходится циклически проходить одинаковое количество слоев. Так же, нужно учитывать время на перезаправку бункера порошком, ведь в камеру его высыпается одинаковое количество, независимо от размера печатаемой детали.

Спекаемость слоёв

При использовании метода SLS прочность спекания слоёв между собой превосходна. Это означает, что напечатанные на SLS-принтере детали обладают почти изотропными механическими свойствами.

Для примера, механические свойства образцов, отпечатанных на SLS с использованием стандартного полиамидного порошка (PA12 или Nylon12), наиболее часто используемого материала в SLS-печати, представлены в таблице в сравнении со свойствами цельного нейлона:

Отпечатанные на SLS детали имеют превосходные прочность на растяжение и модуль упругости, сравнимые с цельным материалом, но являются более хрупкими (их удлинение при разрыве намного ниже). Это связано с внутренней пористостью получившийся детали.

!Типичная деталь, отпечатанная методом SLS, имеет пористость около 30%!

Пористость придает деталям, напечатанным на SLS, характерную зернистую поверхность. Также данный показатель пористости означает, что детали могут легко впитывать воду, и их легко красить. В тоже время, такие детали требуют специальной пост-обработки, если они будут использоваться во влажной среде.

Усадка и деформация

SLS-детали подвержены усадке и деформации: при остывании вновь спеченного слоя его размеры уменьшаются и в нем накапливается внутреннее напряжение, из-за чего нижележащий слой вытягивается вверх.

Усадка от 3 до 3,5% является типичной для SLS-печати, и операторы принтера должны принимать её во внимание во время подготовки модели.

Большие плоские поверхности наиболее склонны к деформации. Эта проблема может быть немного нивелирована путем вертикальной ориентации детали на печатной платформе. Но всё же, лучший способ уменьшить деформацию — это свести к минимуму толщину плоских участков детали, и добавить вырезы в модель, там, где это позволяет конструкция. Данные действия также уменьшат общую стоимость детали, так как будет использовано меньше материала.

Готовая sls-деталь с внедренными закладными элементами.

Чрезмерное спекание

Чрезмерное спекание происходит, когда избыточное тепло вокруг контура детали плавит не спечённый порошок вокруг. Это чревато потерей детализации на небольших объектах, таких как прорези и отверстия.

Чрезмерное спекание зависит как от размера элемента, так и от толщины стенки. Например, прорезь шириной 0,5 мм или отверстие диаметром 1 мм будет успешно напечатано на стенке толщиной 2 мм, но не пропечатается, если толщина стенки будет 4 мм или больше. Как правило, прорези шириной от 0,8 мм и отверстия диаметром от 2 мм можно спокойно печатать в SLS, не опасаясь чрезмерного спекания.

Удаление порошка

Поскольку при печати методом SLS не требуются поддержки, детали с полыми секциями печатаются быстро и точно.

Полые секции в данном случае уменьшают вес и стоимость детали, так как в конечном итоге используется меньше материала. Но в детали потребуется сделать выпускные отверстия, для удаления не спечённого порошка из внутренних полостей. Обобщенная рекомендация в данном случае – добавьте в вашу деталь как минимум 2 выпускных отверстия диаметром не менее 5 мм.

Если же требуется высокая жесткость, детали нужно печатать сплошными. Альтернатива здесь может состоять в том, чтобы сделать полую конструкцию, без выходных отверстий. Таким образом, порошок будет плотно утрамбован в детали, увеличивая его массу и обеспечивая некоторую дополнительную поддержку при увеличении механических нагрузок, не влияя на время печати. Так же, вместо одной цельной внутренней полости можно добавить сотовую структуру (аналогично узорам заполнения, используемым в FDM), чтобы дополнительно увеличить жесткость модели. Компоновка детали таким способом также поможет уменьшить деформацию.

Удаление порошка из SLS-детали

Общие материалы SLS

Наиболее широко используемым материалом для SLS является полиамид 12 (PA 12), также известный как нейлон 12. На данный момент материалов с различными свойствами для SLS 3D-печати с каждым днем становится все больше, например эластичные полимеры представлены TPE порошком и его аналогами. Другие технические термопласты, такие как PA11 и PEEK, так же доступны, но не так широко используются.

В качестве примера, вы можете ознакомиться со списком используемых материалов в нашем каталоге: Sls порошоков Sintratec.

Порошок полиамида может быть дополнен различными добавками (такими как углеродные волокна, стекловолокно или алюминий) для улучшения механических и термических свойств печатаемой детали. Материалы, дополненные добавками, обычно более хрупкие и имеют более высокую анизотропность.

Пост-обработка

SLS производит детали с порошкообразной, зернистой поверхностью, которая легко окрашивается. Внешний вид напечатанных деталей SLS может быть улучшен до очень высокого стандарта с использованием различных методов последующей обработки, таких как: полировка, классическая окраска, окраска распылением и лакировка. Их функциональность также может быть улучшена путем нанесения водонепроницаемого покрытия или металлического покрытия.

Преимущества и ограничения SLS

Обобщая вышесказанное, ключевые преимущества и недостатки технологии приведены ниже:

Детали SLS обладают хорошими, изотропными механическими свойствами, что делает их идеальным вариантом для функциональных деталей и прототипов.

SLS не требует поддержки, поэтому детали со сложной геометрией легко напечатать.

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, таких как FDM и S LA.

Детали SLS имеют зернистую поверхность и внутреннюю пористость, которые могут потребовать последующей обработки, если требуется гладкая поверхность или водонепроницаемость.