Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering) или SLS печать — это аддитивное производство изделий методом порошкового наплавления. В процессе трехмерной печати SLS-лазер расплавляет и спекает частицы полимерного порошка, соединяя их и «выращивая» необходимую деталь слой за слоем. Технология печати SLS использует гранулированные термопластичные полимерные материалы.
В целом, SLS 3D-печать является универсальным решением, особенно если вы хотите отказаться от литья под давлением и его непомерно высоких начальных затрат. Это, безусловно, более экономически выгодно для производства высококачественных компонентов в разумных количествах (менее 1 000 единиц), чтобы проверить, насколько хорошо работает ваш продукт или технология, прежде чем изготавливать дорогостоящие пресс-формы и инструменты.
Описание процесса 3d-печати методом SLS
SLS 3d печать предполагает использование лазера, который нагревает и спекает полимерный порошок. Причем деталь получается цельной, так как сканируется все ее поперечное сечение. Попробуем описать данный процесс:
- Изначально необходимо прогреть емкость с порошком и рабочую область принтера. Однако полимер еще не должен плавиться;
- Далее на сборочную платформу наносится слой порошка;
- Лазер 3D-принтера сканирует контур следующего слоя и спекает частицы полимера выборочным образом;
- Слой готов. Платформа перемещается ниже, поверхность снова покрывается слоем порошка. Операция повторяется, пока изделие не будет полностью готово;
- По окончанию процесса печати готовые детали находятся в неспеченном порошке. Перед их распаковкой бункеру с порошком необходимо остыть. Это занимает довольно длительное время — до 10-12 часов;
- Настало время очистить готовые изделия. Для этого используют сжатый воздух или абразивный материал. Теперь детали готовы к использованию или постобработке.
Для чего чаще всего используют SLS 3d печать
Технология SLS считается весьма подходящей для быстрого прототипирования, поскольку она может похвастаться достаточной точностью и высокой степенью свободы проектирования. Не в пример технологиям FDM или SLA, она позволяет создавать изделия с постоянными механическими свойствами. То есть с ее помощью производятся детали, качество которых близко к качеству конечного продукта. А значит, на SLS-технологию можно смело положиться при создании моделей.
Универсальность SLS 3D-печати позволяет считать ее прекрасной альтернативой литью под давлением для мелкосерийного производства. Используя sls, можно получать 3D-детали сложной формы, необычной геометрии, с разными типами отделки и сроками изготовления.
Устройство SLS 3D-принтера
SLS 3D принтер функционирует на основе установленных производителем параметров, где высота слоя обычно составляет 100-120 мкм. Один из ключевых аспектов печати на таком оборудовании – это отсутствие необходимости в поддерживающих структурах, так как для этого используется неспеченный порошок. Благодаря этому, SLS может производить объекты различных геометрических форм, что не всегда доступно при других методах печати.
Следует отметить, что при SLS-печати крайне важно оптимальное использование рабочего пространства принтера, особенно при производстве небольших партий. Это обусловлено скоростью лазерного сканирования. Причем именно этап нанесения покрытия определяет общую продолжительность процесса, а не само сканирование. Вне зависимости от количества деталей, количество слоев, которые машина должна обработать, остается постоянным. Следовательно, данный фактор может влиять на время исполнения малых заказов, так как операторы могут ожидать полной рабочей загрузки оборудования перед началом печати.
Адгезия слоев
Сцепление между слоями при селективном лазерном спекании невероятно прочно, что дарит SLS-деталям практически изотропные свойства.
Механические характеристики образцов, полученных методом SLS при использовании стандартного полиамидного порошка (PA 12 или Nylon 12 — наиболее распространенного материала в SLS), представлены в таблице ниже, где они сравниваются с характеристиками обычного нейлона.
| Характеристика | Направление XY | Направление Z | Нейлон |
|---|---|---|---|
| Предел прочности при растяжении, МПа | 48 | 42 | 35-55 |
| Модуль упругости, МПа | 1650 | 1650 | 1270-2600 |
| Относительное удлинение при разрыве, % | 18 | 4 | 120-300 |
Детали, созданные с помощью SLS-технологии, обладают высокой упругостью и прочностью, сравнимые с характеристиками базового материала, но при этом они более хрупкие (удлинение при разрыве меньше), что можно объяснить внутренней пористостью изделия.
Усадка и коробление
Следует знать, что SLS-изделия склонны к усадке и короблению. При охлаждении каждого нового слоя размеры изделия уменьшаются, а внутренние напряжения возрастают, что приводит к вытягиванию нижележащих слоев вверх.
Для SLS характерна усадка в пределах 3-3,5%. Однако операторы станков учитывают это при подготовке и соответствующим образом корректируют размеры конструкции.
Большие плоские поверхности наиболее подвержены деформации. Чтобы смягчить эту проблему, можно ориентировать детали вертикально на платформе сборки или уменьшить их объем, минимизировав толщину плоских участков и внедрив в конструкцию вырезы. Такая стратегия, кроме прочего, позволит снизить общую стоимость изделия, поскольку будет использоваться меньше материала.
Спекание
При использовании лазерного тепла для спекания материала, может возникнуть явление чрезмерного спекания. Это приводит к потере детализации мелких элементов, таких как пазы и отверстия. Однако, если пазы имеют ширину не менее 0,8 мм и отверстия диаметром не менее 2 мм, их можно успешно печатать методом SLS, не беспокоясь о возможном чрезмерном спекании.
Неиспользованный порошок
SLS — это мощный печатный процесс, который не требует вспомогательных материалов, благодаря чему можно легко и точно печатать полые детали.
Отметим ключевые моменты проектирования деталей для SLS-печати:
- Использование полых секций. Поскольку SLS-технология не требует структур поддержки, можно создавать детали с полыми секциями. Это снижает массу и стоимость детали;
- Необходимость выходных отверстий. Для удаления неспекшегося порошка из внутренних секций рекомендуется добавить в конструкцию не менее двух выходных отверстий диаметром не менее 5 мм;
- Повышение жесткости. Если требуется высокая степень жесткости, можно напечатать детали полностью цельными. Еще одним вариантом является изготовление полой конструкции без выходных отверстий, позволяющей порошку оставаться внутри, увеличивая тем самым массу и механическую устойчивость изделия;
- Внутренние сотовые структуры. Добавление сотовой структуры может помочь увеличить жесткость детали и снизить коробление подобно тому, как это делается в FDM-технологии.
Основные характеристики 3D-печати методом SLS
Особенности SLS-печати вы можете видеть таблице:
| Характеристика | Технология SLS |
|---|---|
| Материалы | Термопласты (обычно нейлон) |
| Точность размеров | ±0,3% (нижний предел ±0,3 мм) |
| Стандартный размер сборки, мм | 300х300х300 (до 750х550х550) |
| Общая толщина слоя, мкм | 100-120 |
| Поддержка | не требуется |
Материалы для SLS-печати
Полиамид 12 (PA 12), более известный как Nylon 12, наиболее часто используется для SLS-печати. Цена за килограмм порошка PA 12 в среднем составляет 50-60 долларов. Существуют и другие инженерные пластики, например, PA 11 и PEEK, но они используются заметно реже.
Для улучшения механических и термических свойств SLS-деталей, полиамидный порошок может быть смешан с различными добавками. Это могут быть волокна углерода, стекловолокно или алюминий. Однако следует учесть, что материалы с добавками обычно более хрупкие и могут характеризоваться выраженной анизотропией.
| Материал | Характеристики |
|---|---|
| РА12 | + Хорошие механические свойства + Хорошая химическая стойкость — Матовая шероховатая поверхность |
| РА11 | + Полностью изотропное поведение + Высокая эластичность |
| Нейлон с алюминиевым наполнителем (Алюмид) | + Металлический внешний вид + Высокая жесткость |
| Стеклонаполненный нейлон (РА-GF) | + Высокая жесткость + Высокая износостойкость и термостойкость — Анизотропное поведение |
| Нейлон, наполненный углеродным волокном (РА-FR) | + Высокая жесткость + Хорошее соотношение веса и плотности — Высокая анизотропность |
Постобработка SLS-деталей
Готовые SLS-детали имеют характерную зернистую поверхность, которая может быстро загрязняться. Однако, внешний вид изделий можно значительно улучшить, используя разнообразные методы постобработки, включая полировку, окрашивание, лакирование. Помимо улучшения облика, можно повысить функциональность изделий, применяя водонепроницаемые покрытия или металлизацию.
Преимущества и недостатки SLS 3D-печати
Плюсы SLS-технологии:
- Детали, напечатанные на SLS-принтере, характеризуются отличными изотропными механическими свойствами. А значит, они — превосходный выбор для производства функциональных деталей и быстрого прототипирования;
- SLS-технология не требует использования опорных структур, благодаря чему легко создаются изделия с достаточно сложной геометрией;
- SLS-печать обеспечивает мощные производственные возможности, а значит, технология подходит для мелкосерийного и среднесерийного выпуска продукции;
- Неспекшийся порошок может быть собран и снова использован, что снижает количество отходов и повышает экономическую эффективность процесса.
Минусы SLS-технологии:
- В настоящее время основными производственными мощностями являются промышленные системы SLS, что приводит к большему времени изготовления деталей по сравнению с другими 3D-технологиями печати, такими как FDM и SLA;
- Детали, изготовленные по SLS-технологии, обладают зернистой поверхностью и пористостью, что может потребовать дополнительной обработки, если вам необходимы гладкие или водонепроницаемые изделия;
- Крупные плоские поверхности и слишком узкие отверстия сложно печатать с должной точностью, так как они чувствительны к искривлению и перекосам.
Передовые методы SLS
Чтобы определить, подходит ли SLS 3D-печать для вашего изделия или проекта, учтите следующие практические рекомендации, полученные эмпирическим путем:
- SLS-3d-принтер способен производить функциональные детали из множества инженерных пластиков, причем наиболее часто используется нейлон, в частности PA12;
- Стандартный объем сборки в SLS-системе составляет 30 x 30 x 30 см;
- Детали, изготовленные при помощи SLS-технологии, могут похвастаться хорошими механическими характеристиками и изотропностью. Для изделий с особыми требованиями доступны полиамидные порошки с добавками.
Если вы готовы запустить свои детали в производство, вы можете написать нам на почту 3dp@3dprintspb.com. Или позвонить по телефону: +7 (921) 098-07-11.