O Processo de SLS na Manufatura Aditiva

O SLS na Manufatura Aditiva é usado para converter projetos CAD 3D em peças físicas, em questão de horas.

Qual é a definição de Sinterização Seletiva a Laser? SLS significa Selective Laser Sintering, uma técnica de impressão 3D ou Manufatura Aditiva (AM). O SLS usa um processo chamado sinterização , onde o material em pó é aquecido a temperaturas próximas à fusão, fazendo com que as partículas se unam para formar um sólido.

O SLS pode usar uma grande variedade de materiais – mais comumente nylon, mas às vezes também plásticos e metais.

Devido à sua capacidade de produzir peças anteriormente “impossíveis” (leia para obter mais informações) e à alta capacidade de recuperação de materiais, o SLS tem sido popular em ambientes industriais desde sua comercialização no início dos anos 90.

O SLS foi desenvolvido inicialmente na década de 1980 por Carl Deckard e Joe Beaman sob o patrocínio da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), uma agência de pesquisa e desenvolvimento do Departamento de Defesa dos EUA.

Embora a tecnologia SLS esteja longe de ser nova, ela ainda é usada principalmente para aplicações industriais. O laser preciso usado no processo SLS permite a fabricação altamente precisa, mesmo de peças complexas. Por esse motivo, o SLS é amplamente utilizado para prototipagem rápida e produção de peças personalizadas de baixo volume.

Por outro lado, o uso de lasers poderosos e material em pó tornou impraticável para a maioria das pequenas escalas ou uso doméstico, principalmente porque as impressoras SLS são substancialmente mais caras do que outras tecnologias populares, como as impressoras 3D de Fused Deposition Modeling (FDM).

Mais recentemente, os desenvolvimentos nas tecnologias de fusão em leito de pó reviveram o interesse no SLS, que agora fica atrás do FDM e da estereolitografia (SLA) em popularidade.

Sinterização seletiva a laser (SLS):pré-processamento de modelos SLS

Cada técnica de Manufatura Aditiva (AM) tem suas limitações, e SLS (Sinterização Seletiva a Laser) não é exceção. Em particular, o SLS não é adequado para imprimir bordas vivas ou paredes finas, e os designs que incorporam esses recursos precisarão ser alterados durante o pré-processamento. Por exemplo:

• Peças com paredes finas pode ser analisado usando um produto de design que inclui um recurso de análise de paredes finas. Esse recurso simula o processo de impressão, ajudando o designer a verificar se o design provavelmente será impresso com sucesso. Caso contrário, eles podem fazer as alterações apropriadas antes de imprimir.
• Para peças com bordas afiadas , os designers podem usar o filleting do software CAD recurso para arredondar essas bordas em preparação para uma impressão bem-sucedida.

Alguns pontos adicionais a ter em conta:

• Se um projeto incorpora geometrias excessivamente complexas, os projetistas podem usar ferramentas de simplificação de geometria durante a preparação de dados para SLS para garantir que seu projeto esteja pronto para impressão.
• Da mesma forma, para economizar peso, muitas peças SLS são impressas ocas, e os designers podem usar ferramentas automatizadas para ajudá-los a "esvaziar" seus projetos e incluir orifícios de escape para permitir que o material não sinterizado seja removido após a impressão.
• Se estiver trabalhando com software de design totalmente funcional, os designers devem usar técnicas de modelagem de simulação para ver como seu design provavelmente se sairá durante o processo de impressão e quando submetido ao uso no mundo real.

Finalmente, antes que um modelo 3D esteja pronto para impressão, ele deve ser “cortado” em camadas 2D (também conhecidas como seções transversais) que a impressora SLS usará para guiar seu laser em cada camada de material em pó. Embora alguns 'slicers' gratuitos estejam disponíveis para completar a preparação de dados para SLS, sua confiabilidade pode ser questionável, e designers profissionais são aconselhados a trabalhar com um pacote de software reconhecido para suas necessidades de pré-processamento.

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O Processo de SLS na Manufatura Aditiva

O processo de Sinterização Seletiva a Laser se assemelha ao de outras tecnologias de fusão em leito de pó das seguintes maneiras:

1. Um designer produz um modelo 3D usando um programa Computer-Aided Design (CAD).
2. O design é dividido em camadas finas (2D).
3. O design dividido é enviado para a impressora SLS.
4. Um rolo de nivelamento espalha uma fina camada de material em pó pela plataforma de construção da impressora.
5. Um CO₂ o laser traça uma seção transversal no material, aquecendo-o e fundindo-o.
6. Quando uma camada é concluída, a plataforma de construção é abaixada para permitir espaço para a próxima camada de pó.
7. O material não utilizado é reciclado após a conclusão de cada camada.
8. O processo SLS é repetido, criando camada sobre camada até que a peça seja concluída.

Durante o processo de impressão, as peças SLS são abrangidas por pó não sinterizado. Este pó extra suporta a peça durante a impressão, eliminando a necessidade de estruturas de suporte.

Sinterização seletiva a laser:pós-processamento

A primeira etapa no pós-processamento do SLS é a recuperação de peças. As peças recém-impressas em SLS são envoltas em um casulo poroso de pó parcialmente sinterizado, que deve ser aberto para remover a peça. Embora esse processo seja confuso em um ambiente doméstico, o SLS é usado principalmente em ambientes industriais, onde são usadas câmaras de limpeza especialmente projetadas que incorporam gabinetes herméticos com entrada para ar comprimido.

Depois de limpas, as peças impressas em SLS são examinadas e testadas para garantir que atendam às especificações originais. Como as peças SLS são propensas a encolhimento e deformação, esse processo deve garantir que cada peça seja adequada à finalidade.

Finalmente, a maioria das peças SLS são tingidas e/ou revestidas para prepará-las para uso no mundo real. Corantes e revestimentos variam de puramente cosméticos a altamente funcionais, incluindo revestimentos que são:

• Resistente a arranhões
• Refletivo ou não refletivo
• Polarizado
• Durável

Recuperação de material SLS

A recuperação do material restante é uma parte essencial do processo de fabricação do SLS.

Como o material em pó suporta peças SLS durante a impressão, é usado muito mais pó do que o necessário para a peça real. No entanto, como todo o pó dentro da câmara de construção é pré-aquecido para auxiliar no processo de sinterização, o pó "usado" é menos eficaz do que o pó não utilizado para impressão SLS futura. Devido a isso, os especialistas em impressão SLS recomendam o uso de no máximo 50% de pó reciclado para qualquer projeto de impressão SLS.

Diferentes tipos de sistemas SLS

Fundamentalmente, existem dois tipos diferentes de sistemas SLS:industrial e desktop.

Sistemas SLS Industriais

Os sistemas SLS industriais existem há décadas e são usados ​​pelos principais players em uma ampla variedade de indústrias, incluindo aeroespacial, automotiva e ferramentaria. Os sistemas SLS industriais usam um ou mais CO₂ de alta potência lasers.

Devido ao seu tamanho e requisitos de calor, os sistemas SLS industriais exigem um ambiente inerte para garantir que o pó não oxide. Como resultado, esses sistemas também exigem equipamentos especializados para gerenciar a entrada e a remoção do ar. Eles também requerem uma fonte de alimentação industrial.

Sistemas SLS para desktop

Os sistemas SLS de desktop usam um processo semelhante aos sistemas industriais, mas são empacotados em uma máquina que pode se encaixar facilmente em uma pequena empresa ou ambiente de hobby. Esses sistemas usam diodos de baixa potência ou lasers de fibra em vez de CO₂ lasers, o que é parcialmente responsável pelo seu custo reduzido.

Devido ao seu tamanho menor, os sistemas de desktop também requerem menos calor para o processo de sinterização, eliminando a necessidade de sistemas especializados de gerenciamento de ar e permitindo que funcionem com alimentação CA padrão.

Materiais SLS

O termo SLS normalmente descreve sinterização à base de plástico, embora também possa ser usado como um termo abrangente para sinterização de materiais que incluem plásticos, metais, vidro, cerâmica e materiais compósitos. O processo permanece semelhante em todos os materiais, embora a temperatura necessária para o processo de sinterização varie.

Quando o SLS é aplicado a metais, o termo sinterização direta a laser de metal (DMLS) é normalmente usado. O processo é exatamente o mesmo descrito anteriormente neste artigo, mas o processo de sinterização requer muito mais calor do que a sinterização à base de plástico.

Vantagens e desvantagens do SLS

Como qualquer processo de fabricação, o SLS tem vantagens e desvantagens.

As vantagens do SLS incluem:

• Autossustentável. À medida que as peças SLS são construídas, os espaços ocos são preenchidos com pó não sinterizado. Como resultado, as impressões SLS são autossuficientes e não requerem estruturas de suporte adicionais.
• Liberdade de design. Como não há necessidade de estruturas de suporte, os projetistas têm muito mais liberdade para criar peças que atendam aos seus objetivos sem se preocupar com a viabilidade de fabricação. Como resultado, muitas peças que eram consideradas "impossíveis" devido às restrições das técnicas tradicionais de fabricação subtrativa agora podem ser feitas usando a manufatura aditiva SLS.
• Velocidade. Como o pó de nylon usado no SLS requer apenas uma breve exposição ao laser para ser sinterizado, a impressão SLS está entre as tecnologias de impressão 3D mais rápidas. Ao contrário de outras técnicas, como FDM, com SLS, praticamente não há troca entre velocidade de impressão e garantia de alta qualidade.
• Fácil de tingir. As impressões SLS são naturalmente porosas e absorvem facilmente a umidade e outros líquidos. Essa natureza porosa torna as peças SLS ideais para coloração, principalmente ao usar um processo de banho quente.

As desvantagens do SLS incluem:

• Poroso e quebradiço. A natureza porosa das peças SLS pode comprometer sua integridade estrutural. Embora normalmente tenham excelente resistência à tração, as peças SLS são inflexíveis e podem falhar sob níveis relativamente baixos de deformação. Por esse motivo, as impressões SLS são frequentemente usadas como protótipos de prova de conceito. As peças produzidas pela SLS também podem ter um acabamento superficial áspero.
• Propenso a encolhimento e deformação. O pó de nylon usado no SLS é submetido a altas temperaturas durante a sinterização e, posteriormente, esfria rapidamente. À medida que uma peça esfria, ela também se contrai, o que pode levar a imprecisões nas peças impressas, geralmente em bordas e cantos vivos.
• Resíduos. Embora o pó da impressão SLS possa ser reutilizado, a maioria dos especialistas em SLS recomenda o uso de no máximo 50% de pó reciclado em impressões futuras, conforme observado acima. Como resultado, sempre há um elemento de desperdício no processo de impressão SLS.
• Custo. Mesmo uma impressora SLS de mesa pode custar entre US$ 5.000 e US$ 40.000 — muito mais do que impressoras comparáveis ​​que usam outras técnicas de AM. Como você pode imaginar, as impressoras SLS em escala industrial se tornam muito caras, muito rapidamente.

Quando usar o SLS

O uso mais popular do SLS é na prototipagem rápida, onde sua velocidade e natureza autossustentável o tornam ideal. O SLS torna mais fácil para os projetistas criar e testar uma ampla variedade de protótipos sem serem limitados pela necessidade de incluir suportes estruturais ou usar técnicas de fabricação mais tradicionais, como moldagem por injeção.

Quais indústrias confiam no SLS?

Devido às vantagens que confere, o SLS tem sido muito utilizado nas indústrias aeroespacial, automotiva e médica.

Onde os fabricantes aeroespaciais e automotivos usam principalmente pós metálicos e compostos para alcançar altos níveis de durabilidade, os fabricantes médicos geralmente preferem poliuretano termoplástico (TPU) - um plástico flexível e altamente durável com excelentes propriedades mecânicas, durabilidade e resistência a óleos e produtos químicos.

O SLS é normalmente usado em circunstâncias em que o preço não é a principal consideração, pelo menos em termos de compra de equipamentos de capital. Os sistemas SLS podem ser extremamente caros, o que é uma das principais razões pelas quais o processo é usado principalmente em ambientes industriais.

No entanto, despesas de capital à parte, fabricantes que produzem muitas peças de baixo volume - por exemplo, protótipos — pode realmente economizar em custos com SLS. O SLS é amplamente utilizado para produzir peças sob medida e de baixo volume, principalmente porque facilita a produção delas sem a despesa considerável de ferramentas.

Os casos de uso comuns incluem:

• Ferramentas e acessórios personalizados
• Depósitos de combustível
• Condutas de ar
• Modelos arquitetônicos
• Componentes com classificação de voo para veículos aéreos não tripulados
• Projetos automotivos
• Esculturas artísticas

O que vem a seguir para SLS?

No momento, o SLS está limitado principalmente a usos industriais - principalmente devido ao alto custo das impressoras 3D SLS, mas também devido ao uso de laser poderoso e materiais em pó. Por enquanto, se você é um hobby ou criador doméstico, outras técnicas como FDM e SLA são opções mais acessíveis. Em ambientes industriais, no entanto, os sistemas SLS podem ser extremamente valiosos.

Como acontece com todas as técnicas de AM, no entanto, o SLS conta com a capacidade do fabricante de produzir modelos 3D altamente precisos e otimizados. E, dadas as limitações do SLS – particularmente sua incapacidade de imprimir peças com paredes finas ou bordas afiadas – certas funções de software são essenciais para criar e otimizar esses modelos.

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