Sinterização Seletiva a Laser (SLS): Tecnologias de Ponta, Materiais Avançados e Aplicações em Expansão

[Crédito da imagem: 3D Hubs]
 
A Sinterização Seletiva a Laser (SLS) é uma das tecnologias de impressão 3D de polímero mais populares para aplicações industriais. Desde seu surgimento há mais de 30 anos, a SLS vem amadurecendo gradualmente em tecnologia capaz de prototipagem funcional e, mais recentemente, também de produção.
 
Impulsionando esta evolução está a inovação contínua no campo de hardware e materiais, bem como a disposição de adotantes da tecnologia em desenvolver novas aplicações SLS.
 
No artigo de hoje, veremos os desenvolvimentos recentes em SLS, para aprender mais sobre as capacidades atuais e oportunidades futuras da tecnologia.
 
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Breve histórico da SLS

 
A sinterização a laser usa laser de alta potência para fundir materiais em pó camada por camada. Um dos principais benefícios de usar impressão SLS é que seus designs não precisam de estrutura de suporte. Conforme a impressão é construída, todos os espaços ocos são preenchidos automaticamente com pó não utilizado, tornando as impressões SLS auto-sustentáveis.
 
Embora o conceito de impressão SLS tenha sido originalmente concebido no início dos anos 1980, só em 1992 a primeira impressora industrial SLS foi comercializada — Sinterstation 2000 da DTM (posteriormente fundida com 3D Systems). Seguiu-se a EOSINT P350 da EOS em 1994.
 
Desde então, uma ampla (e crescente) gama de máquinas entrou no mercado, marcando o início da era de impressão mais rápida e em larga escala em contexto industrial.
 

Desenvolvimentos notáveis em hardware SLS

A evolução da tecnologia SLS da EOS

 
A empresa alemã de impressão 3D de polímero e metal, EOS, é talvez a maior especialista em SLS no mercado. Em 2016, a empresa alegava ter cerca de 3000 unidades instaladas mundialmente, 51% das quais sistemas SLS.
 
Ao longo de sua história de 30 anos, a EOS conseguiu evoluir SLS ao nível de tecnologia madura, adequada para várias aplicações, tanto em prototipagem quanto produção.
 
Um dos marcos nesta jornada foi o lançamento da FORMIGA P 100 em 2006. O sistema estabeleceu padrões para qualidade de impressão 3D industrial no setor de plásticos, muitos anos após sua introdução.
 
Em 2012, a EOS lançou sucessora da FORMIGA 100, a FORMIGA P 110, nomeada melhor máquina de sinterização a laser no Printer Guide 2018 da 3D Hubs.
 

Com tamanho total de build de 200 × 250 × 330 mm, a P 110 permitiu impressão de baixo volume mais custo-efetiva e foi usada para builds de protótipos médios e peças com geometrias altamente complexas.
 
Avançando para 2018, a P 110 foi aprimorada para FORMIGA 110 Velocis. Apresenta sistema de aquecimento acelerado e processo de recoating aprimorado, e usa controle de software para pré-aquecer materiais poliméricos com feixe de laser de 30 watts em taxa de velocidade mais alta.
 
Agora, com melhorias técnicas adicionais e refinamentos, a Velocis alcança até 20% de aumento de produtividade e melhor distribuição de temperatura na área de build, resultando em qualidade de peça mais homogênea.
 
SLS de alta temperatura
 
Embora o material mais comumente usado em SLS continue sendo nylon, a EOS também queria permitir processamento de materiais mais avançados, como PEEK, que tipicamente requerem altas temperaturas para impressão.
 
Isso resultou na primeira plataforma SLS de alta temperatura, a EOSINT P 800, revelada em 2008. Capaz de processar polímeros até temperatura de cerca de 385° C, expandiu a tecnologia SLS para nova gama de termoplásticos, nomeadamente PEEK.
 
10 anos depois, a EOS adicionou a EOS P 810 à sua linha de impressoras 3D de alta temperatura. O novo sistema é alegado ser o primeiro sistema de sinterização a laser de alta temperatura otimizado para material PEKK reforçado com fibra de carbono.
 
Inovação contínua: Tecnologias FDR e LaserProFusion
 
Melhorias e inovações da EOS no campo de tecnologia SLS são contínuas. Por exemplo, na Formnext deste ano, a EOS apresentou sua tecnologia de impressão 3D Fine Detail Resolution (FDR) baseada em polímero. O novo processo usa laser CO para imprimir em 3D componentes de polímero delicados, porém robustos, com superfícies de resolução de detalhes finos e espessura mínima de parede de 0,22 mm.
 
A EOS afirma ser o primeiro fabricante a desenvolver solução de laser CO para impressão 3D industrial baseada em pó. A maioria das máquinas SLS atuais usa um ou alguns lasers CO₂.
 
O tipo de laser CO cria feixe de laser ultrafino com diâmetro de foco relatado como metade do tamanho das tecnologias SLS atuais. Uma consequência importante dessa precisão adicional são novos parâmetros de exposição que podem resultar em peças com superfícies extremamente finas.
 
A nova tecnologia poderia ser usada para imprimir em 3D unidades de filtro e canais de fluido, plugs e outros componentes eletrônicos, bem como bens de consumo, como óculos.
 
Enquanto a tecnologia FDR foca em componentes delicados, outra — ainda não comercializada — solução da EOS, tecnologia LaserProFusion, é projetada para produtividade máxima.
 
A EOS vai equipar sistema LaserProFusion com até 1 milhão de lasers diodo, capazes de produzir mais de 5 quilowatts de potência laser acumulada. Esta tecnologia visa principalmente atender requisitos de produção seriada, e a EOS afirma que pode ser usada como alternativa a injeção de plástico em muitas aplicações.
 

 
Desde o lançamento da primeira impressora 3D SLS há 26 anos, a EOS tem sido uma das forças motrizes por trás do progresso notável em tecnologia SLS. Continuou perseguindo visão de SLS como solução de produção seriada, que eventualmente está se tornando realidade.
 

Tecnologia Flight da Farsoon

 
Outra empresa buscando revolucionar tecnologia SLS é a Farsoon. Para tornar SLS ainda mais rápida e precisa, a Farsoon aproveita potência de laser de fibra em sua nova Tecnologia Flight.
 
Enquanto máquinas SLS atuais usam lasers CO₂, o fabricante chinês de impressoras 3D substituiu o laser CO₂ padrão por laser de fibra.
 
Sistema de laser de fibra é capaz de entregar mais potência ao leito de pó e melhorar distribuição de energia ao material. Isso porque feixe de laser de fibra permite tamanho de spot menor. Isso se traduz em maior densidade de potência, permitindo que o pó seja sinterizado em menor tempo.
 
Além de laser de fibra, a Farsoon também desenvolveu novo sistema de scanner, resultando em velocidade de escaneamento superior a 20 m/s. Isso é aproximadamente 4 vezes o de tecnologias comparáveis. Além disso, a potência adicionada do laser torna detalhes de feature tão pequenos quanto 0,3 mm possíveis.
 
Projetada para ajudar a impulsionar adoção de impressão 3D SLS para produção de alto volume, a Tecnologia Flight é certamente um passo adiante nesta direção.
 

Impressão 3D SLS com dois pós

 
Enquanto EOS e outros players estabelecidos de SLS focam principalmente em inovação linear, a startup belga Aerosint adotou abordagem radical para desenvolver sistema SLS capaz de imprimir com dois pós diferentes. Isso permitirá que a máquina use um dos pós como material de suporte barato.
 
Normalmente, o pó de suporte não fundido em máquina SLS é o mesmo material usado para imprimir a peça, e tende a ser caro. Claro, isso não seria problema se o pó pudesse ser 100% reutilizado, o que é atualmente impossível.
 
Uma razão é que, no processo SLS, polímeros ficam expostos a alto calor por longos períodos, sofrendo mudanças químicas que tornam suas características de sinterização muito menos previsíveis. Atualmente, a única forma de superar isso é misturar pó 'usado-mas-não-fundido' com cerca de 50% de pó virgem, para ser reutilizado.
 
Conforme estimado por um provedor de serviços, de 500 kg de pó que compra por mês, '25% vira peça, 25% é desperdício e 50% é reutilizado para refrescar o próximo build'.
 
Introduzir máquina que pode usar material de suporte barato e segundo material para impressão de peça, poderia economizar quantia significativa para quem usa processos SLS.
 
A tecnologia da Aerosint, Selective Powder Deposition, consegue isso depositando seletivamente material de pó de tambor rotativo que passa sobre área de build. Um tambor deposita um material, então pelo menos dois tambores são usados para deposição multi-pó.
 

 
A técnica da Aerosint é inerentemente linha por linha e pode atingir taxas de impressão de até 200 mm/s. Esta velocidade é comparável às velocidades atuais de deslocamento do recoater SLS.
 
A maturação desta tecnologia desbloqueará mar de oportunidades para fabricantes, incluindo benefícios de desperdício de pó reduzido, economia de custo de material e tempo de pós-processamento reduzido.
 

Levando impressoras 3D SLS a formato compacto

 
Em 2014, o mercado SLS viu nova safra de empresas aproveitando expiração da patente original SLS e buscando tornar tecnologia mais acessível.
 
Esta mudança deu origem a impressoras 3D SLS de bancada, não pequenas o bastante para serem chamadas de 'desktop', mas compactas o suficiente para caber em bancada de oficina. O surgimento de impressoras 3D de bancada abriu tecnologia para prosumers e pequenas empresas que podem não ter dinheiro ou espaço para sistema SLS industrial.
 
Startups como Sinterit, Sharebot, Sintratec e, mais recentemente, Formlabs, entraram na corrida por impressão 3D SLS de formato compacto.
 
A Sharebot foi a primeira empresa a levar máquina SLS de bancada ao mercado com SnowWhite, que começou a ser enviada a clientes em 2016. Diferente dos sistemas da Sintratec e Sinterit, equipados com lasers diodo, a SnowWhite possui laser CO2 mais potente, comumente instalado em máquinas profissionais de alta gama.
 
O laser e volume de build petite de 100 x 100 x 100 mm, que permite impressão com apenas 300 g de pó, torna sistema SnowWhite particularmente adequado para aplicações de desenvolvimento de materiais.
 
Outro grande player neste campo é a empresa polonesa Sinterit, com seu sistema Sinterit Lisa, que permanece líder neste segmento de mercado em crescimento. Começando em €6.990, a Sinterit Lisa tem volume de build de 150 x 200 x 150 mm e resolução mínima de camada de 0,075 mícrons, tornando-a adequada para pequenas empresas que querem introdução à tecnologia SLS sem investir muito capital em equipamentos volumosos.
 

 
No ano passado, a empresa também revelou a Sinterit Lisa Pro, a mais recente impressora 3D SLS de bancada.
 
Uma inovação significativa potencial neste segmento poderia ser Fuse 1, impressora 3D SLS anunciada pela líder de Estereolitografia desktop, Formlabs, em 2017. Com volume de impressão de 165 x 165 x 320 mm e laser de fibra, o sistema tem preço em torno de $10.000 e está programado para lançamento comercial em meados de 2020.
 
A enxurrada de impressoras 3D FDM e SLA/DLP desktop mais baratas no início dos anos 2010 causou disrupção na indústria, contribuindo significativamente para crescimento da indústria MA. SLS acessível está apenas começando esta jornada e pode seguir caminho similar. Isso estenderá, em última análise, o alcance da SLS a gama mais ampla de indústrias e usuários.
 

A evolução dos materiais SLS

 
As primeiras impressoras 3D SLS usavam mais comumente nylon, termoplástico de engenharia popular, elogiado por suas propriedades leves, resistência e durabilidade. Nylon, também conhecido como poliamida (PA), é estável contra impacto, químicos, calor, luz UV, água e sujeira, tornando-o ideal para prototipagem rápida e produção.
 
Hoje, nylon ainda permanece o material SLS mais popular. No entanto, progresso em tecnologia e materiais de impressão 3D permitiu surgimento de compósitos baseados em nylon — materiais mistos com fibra de carbono, fibra de vidro e alumínio para aprimorar ainda mais propriedades mecânicas e térmicas da poliamida.
 
Além do nylon, impressoras 3D SLS atuais também podem processar PEEK, PEKK, TPUs flexíveis, polímeros retardantes de chama e polímeros antiestáticos. A possibilidade de processar materiais de alto desempenho está intimamente ligada à inovação tecnológica. Como no exemplo da EOS, a empresa primeiro precisou criar impressora 3D de alta temperatura antes de poder imprimir materiais como PEEK.
 

Novos Materiais SLS

 
O ritmo de desenvolvimento de novos materiais para SLS também é encorajador.
 
Empresa italiana de impressão 3D, CRP Technology, é talvez uma das principais desenvolvedoras independentes de materiais SLS, famosa por sua marca Windform. A empresa oferece gama de compósitos baseados em nylon e pós plásticos tipo borracha.
 
As adições mais recentes à linha Windform foram Windform FR1 e Windform FR2 — compósitos retardantes de chama, adequados para aplicações aeronáuticas (por exemplo, peças internas, componentes de cockpit, dutos de ar e válvulas de saída de ar); peças de transporte (interiores de veículos, carcaças e conjuntos de invólucro) e bens de consumo e eletrônicos (iluminação e eletrodomésticos).
 
Empresa química, DSM, também avançou recentemente para desenvolver materiais para SLS. Resultou em pó de Polibutileno Tereftalato (PBT) lançado no ano passado. Curiosamente, a DSM especifica que o material é na verdade o primeiro pó PBT disponível comercialmente para impressão 3D SLS. PBT é polímero termoplástico de engenharia com aplicações na indústria eletrônica, graças às suas propriedades isolantes.
 
Além disso, Forward AM, subsidiária de gigante químico BASF, oferece gama de materiais SLS sob marca Ultrasint. Material Ultrasint Polyamide PA6 Black FR retardante de chama foi o mais recente nesta gama e ostenta alta rigidez e boa estabilidade térmica. Segundo Forward AM, já foi usado para produzir novos componentes para veículos que atendem requisitos de proteção contra incêndio veicular.
 
Tanto BASF quanto DSM recentemente adquiriram impressoras 3D SLS do fabricante francês Prodways. Com capacidade SLS aumentada, as duas empresas químicas poderão acelerar desenvolvimento de materiais avançados para impressão 3D SLS.
 

Pós-processamento em SLS

 
Embora tecnologia SLS elimine necessidade de design e remoção de estrutura de suporte, não está isenta de desafios de pós-processamento. O maior deles é a necessidade de remover excesso de pó deixado na superfície de uma peça e às vezes preso dentro dela.
 
Atualmente, esses desafios são abordados por lavagem e limpeza manual, e técnicas tradicionais, como jateamento de esferas e tumbagem.
 
No entanto, esses métodos precisam de muita intervenção manual, aumentando risco de danar geometrias frágeis e produzir peças finais inconsistentes.
 
Quando se trata de acabamento superficial, peças SLS são frequentemente suavizadas por lixamento e uso de equipamento semi-automatizado tipicamente não projetado para impressão 3D. Estas abordagens não são práticas para aproveitar totalmente capacidades de impressora SLS e escalar para volumes maiores de produção.
 
Felizmente, vários players da indústria estão desenvolvendo soluções automatizadas para pós-processamento de peças SLS.
 
PostProcess Technologies, por exemplo, oferece soluções alimentadas por sua tecnologia Thermal Atomized Fusillade (TAF), na qual dois jatos de eixo único perpendiculares, compostos de ar comprimido, detergente e sólidos em suspensão, fornecem sequências de jato direcionadas, enquanto usam rotação de peça 360° para máxima exposição superficial.
 
Então empresa UK, AMT, vai lançar solução automatizada de desempó ainda este ano.
 
Em última análise, mudar de desempó manual para automatizado ajudará a otimizar fluxo de trabalho de impressão 3D SLS significativamente, não apenas reduzindo tempo de mão de obra manual, mas também permitindo que empresas escalem sua produção SLS mais eficientemente.
 

Aplicações SLS: Uso crescente em produção

 
Enquanto tecnologia SLS continua sendo usada em prototipagem, cada vez mais também está se tornando popular para teste de peças funcionais, bem como aplicações de produção.
 
Aeroespacial
 
A indústria aeroespacial, por exemplo, usa SLS para criar peças internas de aeronaves. Exemplo é a Emirates, maior companhia aérea dos EAU. A companhia usa impressão 3D para produzir componentes de cabine de aeronaves, incluindo shrouds de monitoramento de vídeo e grelhas de ventilação. Estas últimas já foram certificadas e instaladas para testes a bordo em aeronaves Emirates.
 
Emirates está em parceria com 3D Systems para produzir os shrouds de monitoramento de vídeo, usando tecnologia SLS e material DuraForm ProX FR1200 Nylon da 3D Systems, que atende limites de retardância a chama exigidos pela indústria aeroespacial para peças internas de cabine.
 

Bens de consumo
 
Na indústria de bens de consumo, a Chanel é pioneira no uso de impressão 3D SLS para escovas de rímel. A marca agora imprime milhões de escovas de rímel, em colaboração com provedor francês de serviços de impressão 3D, Erpro Group.
 

 
Usando tecnologia SLS, o design da escova foi otimizado — por exemplo, a textura granular e áspera, alcançada com tecnologia SLS, melhora adesão do rímel aos cílios.
 
Além de produtos de beleza, SLS é cada vez mais usado em campos médico e calçados para produzir palmilhas e sandálias personalizadas.
 

Motorsports
 
Em motorsports, a tecnologia pode ajudar equipes de corrida a inovar designs de carros e testá-los mais rápido do que permitiriam tecnologias tradicionais.
 
A equipe Alfa Romeo Sauber Formula One (F1) é bom exemplo de como empresa de motorsports pode aproveitar impressão 3D SLS.
 
SLS é usado principalmente para desenvolvimento aerodinâmico do carro Alfa Romeo F1 no túnel de vento, bem como ampla variedade de moldes de laminação, núcleos e peças seriais complexas.
 
Durante produção, usam material em pó desenvolvido pela Sauber Engineering, usado quando componentes particularmente leves e rígidos são necessários, desde ventilação de freio F1 e componentes de carroceria para veículos de pré-produção e protótipos, até ampla gama de elementos de construção prontos para uso.
 
O céu é o limite para aplicações SLS. Dados os desenvolvimentos recentes em materiais e tecnologia SLS, esta afirmação ressoa especialmente verdadeira.
 

SLS: Uma das melhores escolhas para impressão 3D de polímero

 
O mercado de impressão 3D SLS está em estado de evolução contínua. A tecnologia é democratizada com introdução de sistemas de bancada compactos e acessíveis. Enquanto isso, fabricantes de equipamentos SLS industriais colocam maior foco em soluções que ajudam a estabelecer SLS como ferramenta de produção.
 
Como resultado, o volume de projetos alcançados com tecnologia SLS está aumentando constantemente.
 
Evidência disso é o fato de que mais de 75% dos projetos de impressão 3D usaram métodos SLS em 2019, segundo relatório da Sculpteo. Uma conclusão aqui é que SLS é considerado uma das melhores escolhas para impressão 3D de polímero. Acreditamos que isso continuará valendo tanto no futuro próximo quanto distante.