Como a Sinterização Seletiva a Laser (SLS) Converte Designs CAD 3D em Peças Sólidas

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

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

SLS pode usar uma ampla variedade de materiais — mais comumente náilon, mas às vezes também plásticos e metais.

Devido à sua capacidade de produzir peças anteriormente "impossíveis" (leia mais para mais informações) e a alta recuperabilidade de materiais, SLS tem sido popular em configurações industriais desde sua comercialização no início dos anos 1990.

SLS foi inicialmente desenvolvido nos anos 1980 por Carl Deckard e Joe Beaman sob o patrocínio da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), uma agência de pesquisa e desenvolvimento do Departamento de Defesa dos EUA.

Embora a tecnologia SLS esteja longe de ser nova, ainda é usada principalmente para aplicações industriais. O laser preciso usado no processo SLS permite manufatura altamente precisa, mesmo de peças complexas. Por esta razão, SLS é amplamente usado 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 dos usos de pequena escala ou doméstico, particularmente porque impressoras SLS são substancialmente mais caras do que outras tecnologias populares como impressoras 3D de Modelagem por Deposição Fundida (FDM).

Mais recentemente, desenvolvimentos em tecnologias de fusão de leito de pó reviveram o interesse em SLS, que agora fica atrás de FDM e Estereolitografia (SLA) em popularidade.

Sinterização Seletiva a Laser (SLS): Pré-Processamento de Modelos SLS

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

• Peças com paredes finas podem ser analisadas usando um produto de design que inclui um recurso de análise de paredes finas. Este recurso simula o processo de impressão, ajudando o designer a determinar se seu design provavelmente imprimirá com sucesso. Se não for, eles podem fazer alterações apropriadas antes da impressão.
• Para peças com bordas afiadas, designers podem usar o recurso de arredondamento (filleting) de seu software CAD para arredondar essas bordas em preparação para uma impressão bem-sucedida.

Alguns pontos adicionais a ter em mente:

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

Finalmente, antes que um modelo 3D esteja pronto para imprimir, ele deve ser "fatiado" em camadas 2D (também conhecidas como seções transversais) que a impressora SLS usará para guiar seu laser através de cada camada de material em pó. Embora alguns "fatiadores" 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.

Se sua organização desenvolve aplicações que lidam com pré-processamento para impressão SLS, ou você é um fabricante de máquinas SLS procurando adicionar software ao seu portfólio, a Spatial está aqui para ajudar.

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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 de leito de pó das seguintes maneiras:

1. Um designer produz um modelo 3D usando um programa de Desenho Assistido por Computador (CAD)
2. O design é dividido em camadas finas (2D)
3. O design dividido é enviado para a impressora SLS
4. Um rolo nivelador espalha uma camada fina de material em pó pela plataforma de construção da impressora
5. Um laser CO₂ traça uma seção transversal no material, aquecendo e fundindo-o
6. Uma vez que uma camada está completa, a plataforma de construção é abaixada para permitir espaço para a próxima camada de pó
7. Material não utilizado é reciclado após cada camada ser finalizada
8. O processo SLS é repetido, construindo camada sobre camada até que a peça esteja completa

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

Sinterização Seletiva a Laser: Pós-Processamento

A primeira etapa no pós-processamento SLS é a recuperação da peça. Peças SLS recém-impressas são envolvidas em um casulo poroso de pó parcialmente sinterizado, que deve ser quebrado para remover a peça. Embora este processo seria bagunçado em um ambiente doméstico, SLS é usado principalmente em configurações industriais, onde câmaras de limpeza especialmente projetadas são usadas que incorporam invólucros herméticos com uma entrada para ar comprimido.

Uma vez limpas, peças impressas SLS são examinadas e testadas para garantir que atendam às especificações originais. Como peças SLS são propensas a encolhimento e empenamento, este processo deve garantir que cada peça seja adequada para o propósito.

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

• Resistentes a arranhões
• Refletivos ou não-refletivos
• Polarizados
• Duráveis

Recuperação de Material SLS

Recuperar material residual é uma parte essencial do processo de manufatura SLS.

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

Sistemas SLS industriais existem há décadas e têm sido usados por líderes em uma ampla variedade de indústrias, incluindo aeroespacial, automotiva e ferramentaria. Sistemas SLS industriais usam um ou mais lasers CO₂ de alta potência.

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

Sistemas SLS Desktop

Sistemas SLS desktop usam um processo semelhante aos sistemas industriais, mas são empacotados em uma máquina que pode facilmente caber em um ambiente de pequena empresa ou hobbyista. Esses sistemas usam lasers de diodo ou fibra de menor potência em vez de lasers CO₂, o que é parcialmente responsável pelo seu custo reduzido.

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

Materiais SLS

O termo SLS tipicamente descreve sinterização baseada em plástico, embora também possa ser usado como termo abrangente para sinterização de materiais que incluem plásticos, metais, vidro, cerâmicas e materiais compostos. O processo permanece semelhante em todos os materiais, embora a temperatura necessária para o processo de sinterização varie.

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

Vantagens e Desvantagens do SLS

Como qualquer processo de manufatura, SLS tem vantagens e desvantagens.

Vantagens do SLS incluem:

• Auto-sustentável. Como peças SLS são construídas, espaços ocos são preenchidos com pó não sinterizado. Como resultado, impressões SLS são auto-sustentáveis e não requerem estruturas de suporte adicionais.
• Liberdade de design. Como não há necessidade de estruturas de suporte, designers têm muito mais liberdade para criar peças que atendam seus objetivos sem se preocupar com viabilidade de manufatura. Como resultado, muitas peças que eram consideradas "impossíveis" devido às restrições de técnicas tradicionais de manufatura subtrativa agora podem ser feitas usando Manufatura Aditiva SLS.
• Velocidade. Como o pó de náilon usado em SLS requer apenas exposição muito breve 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 tradeoff entre velocidade de impressão e garantia de alta qualidade.
• Fácil de tingir. Impressões SLS são naturalmente porosas e absorvem umidade e outros líquidos facilmente. Esta natureza porosa torna peças SLS ideais para coloração, particularmente quando usando processo de banho quente.

Desvantagens do SLS incluem:

• Poroso e quebradiço. A natureza porosa de peças SLS pode comprometer sua integridade estrutural. Embora tipicamente tenham excelente resistência à tração, peças SLS são inflexíveis e podem falhar sob níveis relativamente baixos de deformação. Por esta razão, impressões SLS são frequentemente usadas como protótipos de prova de conceito. Peças produzidas por SLS também podem ter acabamento de superfície rugoso.
• Propenso a encolhimento e empenamento. O pó de náilon usado em SLS é submetido a altas temperaturas durante sinterização e subsequentemente esfria rapidamente. À medida que uma peça esfria, ela também contrai, o que pode levar a imprecisões em peças impressas — mais frequentemente em bordas e cantos afiados.
• Desperdício. Embora o pó da impressão SLS possa ser reutilizado, a maioria dos especialistas em SLS recomenda usar no máximo 50% de pó reciclado em impressões futuras, como observado acima. Como resultado, sempre há um elemento de desperdício no processo de impressão SLS.
• Custo. Mesmo uma impressora SLS desktop pode custar entre US$ 5.000 - US$ 40.000 — muito mais do que impressoras comparáveis que usam outras técnicas AM. Como você imaginaria, impressoras SLS em escala industrial tornam-se muito caras, muito rapidamente.

Quando Usar SLS

O uso mais popular de SLS é em prototipagem rápida, onde sua velocidade e natureza auto-sustentável a tornam ideal. SLS torna fácil para designers criar e testar uma ampla gama de protótipos sem serem limitados pela necessidade de incluir suportes estruturais ou usar técnicas de manufatura mais tradicionais como moldagem por injeção.

Quais Indústrias Dependem do SLS?

Devido às vantagens que confere, SLS tem sido amplamente usado nas indústrias aeroespacial, automotiva e médica.

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

SLS é tipicamente usado em circunstâncias onde preço não é a principal consideração, pelo menos em termos de compra de equipamento de capital. Sistemas SLS podem ser extremamente caros, que é uma das principais razões pelas quais o processo é usado principalmente em configurações industriais.

No entanto, despesas de capital à parte, fabricantes que produzem muitas peças de baixo volume — ex: protótipos — podem realmente economizar custos com SLS. SLS é amplamente usado para produzir peças de baixo volume e sob medida, em grande parte porque torna fácil produzir estas sem a despesa considerável de ferramentaria.

Casos de uso comuns incluem:

• Ferramentas e fixações personalizadas
• Tanques de combustível
• Dutos de ar
• Modelos arquitetônicos
• Componentes classificados para voo para veículos aéreos não tripulados
• Designs automotivos
• Esculturas artísticas

O Que Vem a Seguir para SLS?

Atualmente, SLS é principalmente limitado a usos industriais — principalmente devido ao alto custo de impressoras 3D SLS, mas também devido ao uso de laser poderoso e materiais em pó. Por agora, se você é um hobbyista ou criador doméstico, outras técnicas como FDM e SLA são opções mais acessíveis. Em configurações industriais, no entanto, sistemas SLS podem ser extremamente valiosos.

Como com todas as técnicas AM, no entanto, SLS depende da 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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