Impressão 3D de Sinterização Seletiva a Laser (SLS):um guia detalhado

A indústria de manufatura aditiva, avaliada em impressionantes US$ 13,84 bilhões, está entre as tecnologias de manufatura de mais rápido crescimento da era moderna. A Sinterização Seletiva a Laser (SLS) é uma das tecnologias inovadoras de impressão 3D que impulsionou sua rápida ascensão e inspirou a adaptação industrial em larga escala.

Neste guia abrangente, discutiremos vários aspectos da impressão SLS, incluindo seu fluxo de trabalho, vantagens/desvantagens, recursos do material e algumas de suas aplicações.

O que é impressão 3D de sinterização seletiva a laser?

A impressão 3D SLS utiliza um laser guiado como fonte de energia térmica para sinterizar camadas de partículas de matéria-prima em uma construção forte e durável. As partículas, quando aquecidas, coalescem sem derreter. É por isso que é referido como um processo de sinterização, não de fusão.

Além disso, as impressoras 3D SLS vêm em uma variedade de volumes de construção, desde desktops até industriais em larga escala. Eles também diferem em fatores como tipo de laser (fibra, diodo, lasers de CO2, etc.), potência do laser, custo e precisão de fabricação.

Essa técnica é conhecida por sua viabilidade na fabricação de peças funcionais e prototipagem rápida. As qualidades de material desejáveis ​​das peças da impressora 3D SLS são um fator promissor para fabricantes e desenvolvedores de produtos.

Vamos nos aprofundar na sinterização seletiva a laser e detalhar seu fluxo de trabalho para uma melhor compreensão.

Fluxo de trabalho de impressão 3D SLS

A impressão 3D SLS é realizada em várias etapas. Descrito abaixo é um padrão de procedimento passo a passo para a maioria das impressoras 3D SLS.

1. Preparação do modelo CAD

A história começa com um modelo CAD da peça a ser impressa. O modelo finalizado é transferido para a interface de usuário integrada das impressoras SLS ou para um software de fatiamento em formatos de arquivo adequados para impressão 3D. O formato de arquivo mais comum é STL.

O software de fatiamento prepara o arquivo CAD para impressão 3D, gerando comandos (conhecidos como G-Codes) que o controlador da impressora pode interpretar em termos do movimento de varredura do laser. O software também incorpora configurações definidas pelo usuário, como espessura da camada, potência do laser e resolução, que são fatores que definem a qualidade final da construção.

Nesta fase, o software também prevê informações cruciais, como tempo de impressão e consumo de material.

2. Cheques pré-impressos

As impressoras 3D SLS são máquinas sofisticadas que exigem treinamento e cuidado para operar. Antes do início da impressão, algumas verificações são realizadas para garantir que a impressão ocorra sem problemas.

A câmara de construção (cama de pó) é preenchida até o nível correto e com o material correto. Além disso, os operadores profissionais também realizam algumas verificações de CAD de pré-impressão para garantir que não haja brechas que afetem a capacidade de impressão.

Os galvanômetros, os espelhos que direcionam o feixe de laser ao longo do caminho de impressão desejado, devem ser calibrados. Os servomotores que os acionam são trazidos para suas posições iniciais também para erros mínimos. Os cronogramas de calibração para estes são frequentemente recomendados pelos fabricantes em manuais.

3. Pó de pré-aquecimento

O pó na câmara de construção é pré-aquecido antes que a impressão comece logo abaixo de seu ponto de fusão. Desta forma, a energia térmica do laser é utilizada apenas na sinterização. Isso permite a impressão 3D rápida.

4. Imprimindo

Na verdade, o processo de impressão em si é bastante simples e engenhoso. O laser varre a camada superior da peça (definida anteriormente pelo fatiador) sobre a superfície superior do leito de pó.

A potência do laser é ajustada precisamente para atingir uma profundidade de sinterização equivalente à espessura da camada. A faixa típica de espessura de camada na impressão 3D SLS é de 0,05 a 0,15 mm.

Então, a cama se move para baixo em uma espessura de uma camada, levando a construção com ela. Uma nova camada do material SLS é espalhada sobre o leito pela lâmina/rolo de recobrimento. Desta vez, o laser varre a segunda camada, que se une à anterior.

Esse processo continua se repetindo até que toda a peça seja impressa.

5. Recuperação de peças e pós-processamento

Após a conclusão da impressão, é permitido que ela esfrie dentro da câmara por algum tempo. Uma vez que está frio, é extraído da câmara de construção. Como a peça é cercada por todos os lados pelo pó não sinterizado, o processo de extração é muitas vezes chamado de “despoeiramento”.

Vantagens da impressão 3D SLS

A impressão 3D SLS possui inúmeros aspectos positivos, tornando-se um dos métodos de manufatura aditiva mais procurados na indústria.

1. Peças Robustas

As peças impressas em 3D SLS possuem propriedades vantajosas, como resistência mecânica, módulo de tração, resistência ao calor e estanqueidade à água e ao ar. Isso se deve ao processo de sinterização, que une fortemente as partículas de polímero individuais.

Essa qualidade de robustez permitiu que as impressoras SLS fossem um equipamento comum para desenvolver e testar protótipos funcionais, que não apenas imitam a aparência do produto testado, mas também sua funcionalidade.

2. Não é necessário suporte

Estruturas impressas em 3D com recursos como saliências ou pontes requerem geometria de suporte para sustentar esses elementos durante a impressão. A maioria dos métodos de impressão 3D, como o FDM, desperdiça muito tempo e material imprimindo essas estruturas de suporte.

Com a sinterização seletiva a laser, no entanto, isso não é uma preocupação. Como toda a construção está presa em uma poça de pó solto, ela já está bem suportada durante a construção. Isso não apenas economiza tempo, mas também diminui os custos.

3. Rápido

Essas máquinas são consideradas impressoras 3D rápidas, com impressão comercial, velocidades de até 48 mm/h. Isso supera um número decente de métodos alternativos de impressão 3D.

Além disso, o fluxo de trabalho desse processo, embora dividido em muitas etapas, é bastante eficiente em termos de tempo. A varredura a laser é quase instantânea, a câmara de construção pode ser destacada e substituída por outra à medida que a primeira esfria, e há também a possibilidade de impressão em lote, que discutiremos a seguir.

4. Impressão em lote

As impressoras 3D vêm em uma variedade de volumes de câmara de construção, com até 750 mm em uma direção para máquinas maiores. Uma abordagem produtiva é fazer uso eficiente do volume da câmara de construção adaptando a impressão em lote.

Isso significa encaixar tantas peças dentro da câmara de construção quanto um "lote". Isso é prudente, pois a varredura a laser em si é muito rápida. Na impressão em lote, com uma digitalização, pode sinterizar camadas de várias peças em vez de apenas uma, economizando horas no tempo de impressão.

5. Alta Precisão Dimensional

A SLS produz peças muito precisas. Como mencionado anteriormente, a altura da camada pode ser tão baixa quanto 0,05 mm. Além disso, a maioria das impressoras 3D são capazes de produzir tolerâncias de +/- 3%. A pressão de empacotamento fornecida pelo leito de pó também ajuda a minimizar o empenamento.

Devido a isso, as peças impressas em 3D SLS têm formato quase líquido e não requerem pós-processamento extensivo.

Desvantagens da impressão 3D SLS

Como qualquer processo de fabricação, o SLS tem seus contras além dos prós. Esclarecemos alguns pontos que devemos ter em mente antes de optar pelo SLS.

1. Opções limitadas de matéria-prima

A sinterização seletiva a laser não oferece um catálogo forte de materiais. Além de alguns tipos de Nylon, elastômeros termoplásticos e TPU (poliuretano termoplástico), materiais compatíveis com SLS são um pouco difíceis de encontrar. A aparência física também se limita a acabamentos acinzentados e metálicos.

Embora a pesquisa científica esteja expandindo o escopo material da impressão SLS, é uma clara desvantagem por enquanto.

2. Superfície granulada

A construção final, embora dimensionalmente precisa, não possui uma superfície lisa e brilhante. Em muitos casos, pode exigir tratamentos de superfície adicionais para atender aos requisitos de fabricação. Técnicas concorrentes como estereolitografia têm um acabamento de superfície muito melhor.

Discutiremos alguns dos métodos populares de pós-processamento na seção a seguir que ajudam a resolver esse problema.

3. Impressoras caras

As impressoras SLS são geralmente máquinas caras. Deve-se esperar gastar mais de US $ 5.000 em versões mais baratas. As versões de ponta estão na faixa de US $ 100.000 +.

Deve-se notar aqui, no entanto, que o investimento inicial é ligeiramente compensado por custos de material e impressão comparativamente mais baixos. Além disso, há uma nova onda de impressoras 3D de bancada inovadoras entrando no mercado que não são tão caras, mas possuem especificações decentes. Saiba mais sobre os custos do serviço de impressão 3D.

4. Riscos à saúde e ao meio ambiente

O material SLS vem na forma de pós finos com um tamanho de partícula tão pequeno quanto 20 mícrons. Partículas de dimensões tão diminutas podem entrar facilmente em nosso sistema respiratório e criar problemas de saúde. A sinterização pode criar gases que podem escapar do ambiente de trabalho e contribuir negativamente para o meio ambiente.

Recomenda-se que os operadores usem EPIs adequados, como máscaras e luvas, ao lidar com esses materiais.

Materiais adequados para impressão 3D SLS

Polímeros em pó sinteráveis ​​são a principal classe de material SLS. Resumidos abaixo estão alguns dos principais materiais que se enquadram nesta categoria.

1. PA12

O PA 12 também é comumente conhecido como Nylon 12 e Poliamida 12. Possui grande resistência à tração, tenacidade e flexibilidade. O PA 12 também é resistente a produtos químicos e ao calor, tornando-o um candidato ideal para produtos funcionais.

Tem uma superfície ligeiramente granulada e fosca após a impressão 3D. Naturalmente, tem uma cor branca que pode ser tingida em outras cores convenientemente.

2. PA11

Poliamida 11/Nylon 11 é biocompatível, forte, flexível, resistente ao calor e resistente a produtos químicos. É conhecido por seu comportamento isotrópico, o que é ótimo em certas aplicações de suporte de carga, como interiores automotivos, próteses e equipamentos médicos.

3. Alumida

Alumide é nylon preenchido com pó de alumínio. Esta mistura é feita para maior resistência e rigidez. Além disso, o Alumínio confere ao produto final seu aspecto brilhante e metálico, que não é tão granulado quanto um material de Nylon puro como PA12 ou PA11.

4. PA-CF

Nylon preenchido com fibra de carbono é uma combinação de alto desempenho com força de elite e resistência ao impacto. É notavelmente leve, como característica dos produtos de fibra de carbono. As aplicações comuns incluem gabaritos, acessórios e peças automotivas leves.

Opções de acabamento de superfície para peças de impressão SLS

O pós-processamento foi abordado acima, mas não destacamos as diferentes técnicas usadas pelos especialistas. No entanto, o acabamento superficial das peças sem pó não é o ideal. Assim, dependendo dos requisitos de fabricação, vários tratamentos de superfície podem ser aplicados

1. Lixamento/esmerilhamento manual

Uma superfície ligeiramente mais fina é conseguida pelo uso de técnicas manuais. Os operadores usam lixas de vários graus ou retificadoras para aplicar um tratamento de superfície uniforme e alcançar todos os cantos da geometria.

2. Explosão e queda

Esses métodos alcançam um ótimo acabamento superficial. Para jateamento de esferas, a mídia comum são esferas de vidro e, para tombamento, lascas de cerâmica são amplamente utilizadas. Em ambos os casos, essas partículas colidem com a superfície da peça SLS para achatá-la.

No entanto, uma desvantagem é que algum material também é removido, alterando as dimensões da peça. Além disso, bordas afiadas também podem sair arredondadas, o que pode ou não ser desejável.

3. Tratamento Químico

Produtos químicos como a acetona podem reagir com a superfície para torná-la lisa. Este não é um método popular, mas é viável em alguns casos. Deve-se tomar cuidado com relação à reatividade ao selecionar o produto químico.

4. Revestimento

Vários revestimentos podem ser aplicados para obter propriedades físicas específicas. Revestimentos metálicos como ouro ou cobre às vezes são usados ​​para maior resistência e estética. Como as peças impressas em 3D são porosas, revestimentos à prova d'água, como silicone, podem ser aplicados para melhorar o desempenho.

5. Tingimento / Envernizamento

Uma solução fácil para melhorar a qualidade da superfície é aplicar uma demão de tinta ou verniz na superfície áspera. Isso melhora a aparência da peça, dá uma sensação de brilho e não leva muito tempo.

Aplicações de impressão 3D SLS

O SLS encontrou aplicação em várias indústrias importantes devido aos seus inúmeros pontos fortes.

1. Prototipagem e fabricação rápida

As propriedades mecânicas das peças impressas em 3D SLS são comparáveis ​​às peças fabricadas por outros processos. No entanto, a produção é mais rápida e conveniente. Por esta razão, as peças SLS são amplamente utilizadas para prototipagem rápida e fabricação de produtos funcionais.

Os desenvolvedores de produtos desfrutam da liberdade de passar rapidamente por iterações de design graças à alta velocidade de impressão e à funcionalidade das peças.

2. Aviação e Automotiva

Ambas as indústrias estão constantemente à procura de peças leves e resistentes a impactos – qualidades características da impressão SLS. Portanto, a impressão 3D também está se tornando popular para a fabricação de peças personalizadas e elegantes para retrofit ou decoração de automóveis.

Componentes resistentes a chamas em motores aeroespaciais são outra aplicação onde as qualidades específicas dos materiais SLS são adequadas. Além destes, também é popular para fazer dutos de ar e protótipos.

3. Médico

Na indústria médica, próteses e órteses funcionais e personalizadas são impressas em 3D hoje em dia. Isso ocorre porque a tecnologia de digitalização 3D permite que essas peças sejam moldadas exatamente de acordo com o físico do paciente e o SLS ajuda a alcançar as propriedades mecânicas necessárias.

Serviços de impressão 3D SLS da WayKen

SLS é uma tecnologia popular de manufatura aditiva usada por muitas indústrias por sua precisão, exatidão e produtividade. No entanto, dominar a tecnologia pode ser um desafio, por isso é importante trabalhar com um provedor de serviços respeitável que tenha experiência e conhecimento para fornecer resultados de qualidade.

A WayKen é uma empresa de prototipagem rápida com certificação ISO, com uma equipe de engenheiros experientes especializados em impressão 3D SLS. Oferecemos um prazo de entrega rápido, preços competitivos e análise DFM para ajudá-lo a otimizar seus projetos. Ao fazer parceria conosco para suas necessidades de SLS, você pode ter certeza de que receberá peças e serviços da mais alta qualidade. Clique no botão para obter uma cotação instantânea hoje!
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Conclusão

A sinterização seletiva a laser indiscutivelmente deixou uma forte marca no cenário da manufatura aditiva nos últimos anos. Seu potencial e utilização são cada vez maiores à medida que chama a atenção de mais e mais industriais.

Para encerrar este guia, aconselhamos nossos leitores a usarem este guia em sua tomada de decisão ao optar pela impressão 3D. Ainda é um mercado relativamente novo e é preciso estar bem informado antes de finalizar a escolha do método de impressão 3D e do fabricante.

Perguntas frequentes

Quais são os tipos de impressoras 3D SLS?

As impressoras 3D SLS diferem de várias maneiras:

-Tamanho :Impressoras de mesa com um volume de construção de 100x100x100 mm para impressoras de nível industrial de ponta com volumes de construção de até 500x500x500 mm.

-Tipos de laser :As impressoras SLS podem ser equipadas com laser de CO2, laser de fibra, laser infravermelho ou diodo laser.

-Especificações de impressão :Especificações como velocidade de impressão, espessura mínima da camada, recursos do material, etc. diferem de produto para produto.

Qual ​​é a diferença entre a impressão por sinterização seletiva a laser (SLS) e a impressão por fusão seletiva a laser (SLM)?

O SLS une partículas de material sinterizando-as. Esse processo ocorre abaixo do ponto de fusão do material e as partículas simplesmente se fundem. O SLM, por outro lado, opera acima do ponto de fusão e derrete completamente as partículas, que então se solidificam como uma parte homogênea.

A SLM produz peças com melhores propriedades mecânicas e é adequada para aplicações de altíssima qualidade. O SLS também produz peças funcionais, mas não é tão forte quanto o SLM.

Quais materiais são comumente usados ​​para impressão 3D SLS?

Polímeros termofixos e poliuretano termoplástico são materiais comuns usados ​​na impressão 3D SLS. Especificamente, materiais como Nylon 12 e Nylon 11 são os mais populares. Algumas aplicações especiais também utilizam uma mistura destes com metais (alumínio) ou fibras (fibra de carbono, fibra de vidro).