SLS (Selective Laser Sintering)

Порошкообразный материал в рабочей камере разогревается до температуры, близкой к плавлению, разравнивается и лучом лазера на нем прорисовывается необходимый контур слоя.

В месте контакта луча и порошки частицы плавятся и спекаются друг с другом и с предыдущим слоем. Затем платформа опускается на толщину одного слоя, в камеру насыпается новый слой порошка, разравнивается, и процесс повторяется. В итоге печати получается готовая модель с пористой шероховатой поверхностью.

Металлические изделия после изъятия из рабочей камеры помещают в специальную печь, где пластик выгорает, а поры заполняются легкоплавкой бронзой.

Порошки на основе керамики или стекла позволяют изготавливать также модели, обладающие высокой химической и термической стойкостью.

Метод был придуман группой студентов во главе с доктором Карлом Декартом в Университете Остина, штат Техас. Впервые он был запатентован в 1989 году фирмой DTM Corporation, которая в 2001 году была куплена компанией 3D Systems.

На сегодняшний день разнообразие материалов, применяемых в качестве порошка, поистине велико: частицы пластика, стекла, нейлона, керамики, металла.

Как и следует ожидать, существует много вариантов на каждом этапе такого производства. Существует два алгоритма запекания: в одном случае плавят только те участки, которые соответствуют границе перехода, в другом — плавят по всей глубине модели. Кроме того, само запекание может варьироваться по силе, температуре и длительности.

Важная особенность выборочного (селективного) лазерного спекания — отсутствие необходимости в поддерживающих структурах, так как излишек окружающего порошка по всему объему не дает модели разрушиться, пока окончательная форма еще не обретена и не достигнута прочность целевого объекта.

Последний этап — финишная обработка. Например, погружение в специальную печь для выжигания технологических полимеров, которые нужны на этапе спекания, если использовались порошки композитных металлов. Также возможна полировка для удаления видимых переходов между слоями. Технологии и материалы непрерывно совершенствуются и, благодаря этому, этап финишной обработки минимизируется.

Сфера применения 3D печати методом SLS обширна: детали силовых установок, авиастроение, машиностроение, космонавтика. В последнее время технология добралась и до предметов искусства и дизайна.

Технология SLS (Selective Laser Sintering) — селективное лазерное спекание, является одной из технологий производства изделий любой геометрии из порошкообразного материала. Свое развитие, как и другие подобные методы, технология начала в 70-х годах прошлого века.

Так, в 1971 году француз Пьер Сиро (Pierre Ciraud) подал заявку на патент, описывающая способ изготовления изделий из порошкового материала, основанный на отверждении и скреплении порошка под воздействием сфокусированного луча энергии.

Представленная технология имеет малое отношение к любой из сегодняшних коммерческих аддитивных технологий, но она стала предшественником более поздних разработок технологии лазерной обработки материалов.

А в 1979 году, изобретатель по имени Росс Хоушолдер (Ross F. Housholder) подал заявку на патент, с описанием системы и метода создания трехмерного изделия слой за слоем, имеющего сходство с будущими технологиями лазерного спекания. Но из-за чрезвычайно высокой стоимости лазеров в то время, Хоушолдер смог только частично протестировать свой метод.

Коммерчески успешная технологии селективного лазерного спекания была разработана и запатентована студентом Техасского Университета в Остине Карлом Декардом (Carl Deckard) и его научным руководителем, профессором машиностроения Джо Биманом (Joe Beaman) в середине 1980-х годов при поддержке агентства DARPA (агентство передовых оборонных исследовательских проектов) и агентства NSF (независимое агентство при правительстве США, отвечающее за развитие науки и технологий).

Суть технологии заключалась в применении метода производства трехмерного объекта из металлического порошка под воздействием луча лазера , когда частицы порошка нагреваются лишь до оплавления внешнего слоя, достаточного для их скрепления. Процесс необходимо проводить в герметической емкости, заполненной инертным газом, чтобы избежать возгорания порошка и утечки токсичных газов, выделяющихся при твердотельном синтезе.

К сведению: термин «спекание» относится к процессу, с помощью которого объекты создаются из порошков с использованием механизма диффузии атомов. Диффузия атомов происходит в любом материале при температуре выше абсолютного нуля, но процесс происходит гораздо быстрее при более высоких температурах, поэтому спекание вызывается нагреванием порошка при достаточно высоких температурах. Поскольку в первых устройствах для построения 3D-изделий применялся порошок ABS пластика, термин «спекание» наиболее технически-точно отражал происходящие процессы. Однако, когда в установках начали использовать кристаллические и полу-кристаллические материалы, такие как нейлон и металлы, которые растекаются в процессе построения изделий, название «селективное лазерное спекание» уже хорошо зарекомендовало себя и осталось, несмотря на то, что стало неправильным.

В технологии SLS применяются многокомпонентные порошки или порошковые смеси из разных химических материалов, в отличие от технологии DMLS (), где в основном используются однокомпонентные порошки.

В первом прототипе устройства получить готовое изделие не удалось, так как в нем использовался лазер мощностью всего 2 Ватта. Перепроверив математические расчеты, Карл Декард выяснил, что при переносе физической константы с одной страницы на другую, ошибся почти на 3 порядка. После чего, лазер был заменен на более мощный — 100 Bт твердотельный лазер, где качестве активной среды используется алюмо-иттриевый гранат. Позднее стали применяться лазеры на диоксиде углерода.

В конце 1986 года Декард совместно с заместителем декана, доктором Полом Ф. МакКлюром (Paul F. McClure) и бизнесменом Гарольдом Блэром (Harold Blair) основывают компанию Nova Automation, которая в феврале 1989 года была переименована в DTM corp.

Первые установки разработанные в DTM corp назывались Mod A и Mod B, а первая партия из 4 установок была выпущена под названием 125S. В 2001 году DTM corp была куплена компанией 3D Systems, создавшей конкурирующую технологию — .

Компания 3D Systems была и остается одним из лидеров аддитивного производства, а получение прав на технологию селективного лазерного спекания — важная веха для развития коммерческого применения аддитивных технологий. В настоящий момент компания 3D Systems является одним из лидеров на рынке 3D-печати, наряду с такими компаниями как EOS GmbH и Stratasys Inc.

Компания EOS, после продажи 3D Systems в 1997 году своего направления специализирующегося на выпуске SLA оборудования, сфокусировалась на разработке оборудования использующего технологию SLM (селективное лазерное плавление).

Материалы:

• металлические порошки,
• пластиковые порошки,
• нейлон (чистый, стеклонаполненный или с другими наполнителями),
• керамика,
• стекло (кварцевый песок).

Основные области применения:

• Готовые продукты, печатающиеся индивидуально или небольшими сериями
• Прототипы деталей и частей машин и механизмов
• Инструменты для производства
• Преcс-формы

Отрасли применения:

• Аэрокосмическая отрасль (производство титановых форсунок и лопастей для турбин)
• Автомобильная отрасль и машиностроение
• Нефтяная отрасль
• Энергетика
• Медицина (слуховые аппараты, стоматология)

В этом обзоре я попытался в популярной форме привести основные сведения о производстве металлических изделий методом лазерного аддитивного производства – сравнительно новом и интересном технологическом методе, возникшем в конце 80-х и ставшем в наши дни перспективной технологией для мелкосерийного или единичного производства в области медицины, самолето- и ракетостроения.
Кратко описать принцип работы установки для аддитивного производства с помощью лазерного излучения можно следующим образом. Устройство для нанесения и выравнивания слоя порошка снимает слой порошка с питателя и равномерным слоем распределяет его по поверхности подложки. После чего лазерный луч сканирует поверхность данного слоя порошка и путем оплавления или спекания формирует изделие. По окончанию сканирования порошкового слоя платформа с изготавливаемым изделием опускается на толщину наносимого слоя, а платформа с порошком поднимается, и процесс нанесения слоя порошка и сканирования повторяется. После завершения процесса платформа с изделием поднимается и очищается от неиспользованного порошка.

Одной из основных частей в установках аддитивного производства является лазерная система, в которой используются CO 2 , Nd:YAG, иттербий волоконный или дисковый лазеры. Установлено, что использование лазеров с длиной волны 1-1,1 мкм для нагрева металлов и карбидов предпочтительнее, поскольку они на 25-65% лучше поглощают генерируемое лазером излучение. В тоже время, использование CO 2 лазера с длиной волны 10,64 мкм наиболее лучше подходит для таких материалов, как полимеры и оксидная керамика. Более высокая абсорбционная способность позволяет увеличить глубину проплавления и в более широких пределах варьировать параметрами процесса. Обычно лазеры, используемые в аддитивном производстве, работают в непрерывном режиме. По сравнению с ними применение лазеров работающих в импульсном режиме и в модулированной добротности за счет их большой энергии импульса и короткой продолжительности импульса (наносекунды) даёт возможность улучшить прочность связи между слоями и уменьшить зону термического воздействия. В заключение можно отметить, что характеристики используемых лазерных систем лежат в таких пределах: мощность лазера – 50-500 Вт, скорость сканирования до 2 м/с, скорость позиционирования до 7 м/с, диаметр фокусированного пятна – 35-400 мкм.

Помимо лазера как источник нагрева порошка может быть использован электронно-лучевой нагрев. Этот вариант фирма Arcam предложила и реализовала в своих установках в 1997 г. Установка с электронно-лучевой пушкой характеризуется отсутствием подвижных частей, так как электронный луч фокусируется и направляется с помощью магнитного поля и дефлекторов, а создание в камере вакуума положительно сказывается на качестве изделий.

Одним из важных условий при аддитивном производстве является создание защитной среды предотвращающей окисление порошка. Для выполнения этого условия используют аргон или азот. Однако применение азота как защитного газа ограничено, что связанно с возможностью образования нитридов (например, AlN, TiN при изготовлении изделий из алюминиевых и титановых сплавов), которые приводят к понижению пластичности материала.

Методы лазерного аддитивного производства по особенностям процесса уплотнения материала можно разделить на селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering (SLS)), непрямое лазерное спекание металлов (Indirect Laser Metal Sintering (ILMS)), прямое лазерное спекание металлов (Direct Laser Metal Sintering (DLMS)) и селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting (SLM)). В первом варианте уплотнение слоя порошка происходит за счет твердофазного спекания. Во втором – за счет пропитки связкой пористого каркаса ранее сформированного лазерным излучением. В основе прямого лазерного спекания металлов лежит уплотнение по механизму жидкофазного спекания за счет плавления легкоплавкого компонента в порошковой смеси. В последнем варианте уплотнение происходит за счет полного плавления и растекания расплава. Стоит отметить, что эта классификация не является универсальной, поскольку в одном типе процесса аддитивного производства могут проявляться механизмы уплотнения, которые характерны для других процессов. Например, при DLMS и SLM может наблюдаться твердофазное спекание, которое имеет место при SLS, тогда как при SLM может происходить жидкофазное спекание, которое более характерно для DLMS.

Селективное лазерное спекание (SLS)

Твердофазное селективное лазерное спекание не получило широкого распространения, поскольку для более полного протекания объемной и поверхностной диффузии, вязкого течения и других процессов, имеющих место при спекании порошка, требуется относительно длительная выдержка под лазерным излучением. Это приводит к длительной работе лазера и малой производительности процесса, что делает этот процесс экономически не целесообразным. Помимо этого, возникают сложности с поддержанием температуры процесса в интервале между точкой плавления и температурой твердофазного спекания. Преимуществом твердофазного селективного лазерного спекания является возможность использования более широкого круга материалов для изготовления изделий.

Непрямое лазерное спекание металлов (ILMS)

Процесс, получивший название «непрямое лазерное спекание металлов» был разработан компанией DTMcorp of Austin в 1995 г., которая с 2001 г. принадлежит компании 3D Systems. В ILMS процессе используют смесь порошка и полимера или порошок покрытый полимером, где полимер выступает в роли связки и обеспечивает необходимую прочность для проведения дальнейшей термической обработки. На стадии термической обработки проводится отгонка полимера, спекание каркаса и пропитка пористого каркаса металлом-связкой, в результате которой получается готовое изделие.

Для ILMS можно использовать порошки, как металлов, так и керамики или их смесей. Приготовление смеси порошка с полимером проводят механическим смешиванием, при этом содержание полимера составляет около 2-3% (по массе), а в случае использования порошка покрытым полимером, толщина слоя на поверхности частицы составляет около 5 мкм. В качестве связки используют эпоксидные смолы, жидкое стекло, полиамиды и другие полимеры. Температура отгонки полимера определяется температурой его плавления и разложения и в среднем составляет 400-650 o С. После отгонки полимера пористость изделия перед пропиткой составляет около 40%. При пропитке печь нагревают на 100-200 0 С выше точки плавления пропитывающего материала, поскольку с повышением температуры уменьшается краевой угол смачивания и понижается вязкость расплава, что благоприятно влияет на процесс пропитки. Обычно пропитку будущих изделий проводят в засыпке из оксида алюминия, которая играет роль поддерживающего каркаса, поскольку в период от отгонки полимера до образования прочных межчастичных контактов существует опасность разрушения или деформации изделия. Защиту от окисления организуют с помощью создания в печи инертной или восстановительной сред. Для пропитки можно использовать довольно разнообразные металлы и сплавы, которые удовлетворяют следующим условиям. Материал для пропитки должен характеризоваться полным отсутствием или незначительным межфазным взаимодействием, малым краевым углом смачивания и иметь температуру плавления ниже, чем у основы. Например, в случае если компоненты взаимодействую между собой, то в процессе пропитки могут происходить нежелательные процессы, такие как образование более тугоплавких соединений или твердых растворов, что может привести к остановке процесса пропитки или негативно сказаться на свойствах и размерах изделия. Обычно для пропитки металлического каркаса используют бронзу, при этом усадка изделия составляет 2-5%.

SLS или Selective Laser Sintering - технология аддитивного производства, основанная на послойном спекании порошковых материалов (полиамиды, пластик) с помощью луча лазера.

Что лучше печатать: прочные и точные промышленные изделия для функциональных тестов, объекты со сложной геометрией, детали механизмов и двигателей, небольшие партии готовых изделий.

Недостатки: высокая стоимость расходных материалов и оборудования.

Альтернатива: металл - SLM (сплавление металлических порошков, выше прочность); пластик - FDM (себестоимость ниже, хуже качество поверхностей и детализация).

Технологию SLM часто путают с другой схожей порошковой технологией 3D-печати - SLM . Главное различие этих процессов в том, что SLS-технология производит лишь частичное плавление поверхности частиц, необходимое для спекания их вместе. В свою очередь технология SLM (сплавление материала) обеспечивает полную лазерную плавку частиц, необходимую для построения монолитных изделий.

Преимущества технологии селективного лазерного спекания

• Прекрасные механические свойства готовой продукции: высокая прочность, точность построения, качественные поверхности.
• Оборудование для SLS-печати оснащается большими камерами построения (до 750 мм), что позволяет изготавливать большие изделия или целые партии небольших объектов за одну печатную сессию.
• Не требует материала поддержки: процесс практически безотходен, неиспользованный материал может повторно использоваться для печати.
• Высокая производительность: SLS-принтеры не нуждаются в полном расплавлении частиц материала, что позволяет им работать гораздо быстрее других порошковых 3D-принтеров.

Процесс изготовления объектов по технологии SLS

Процесс печати по технологии Selective Laser Sintering заключается в послойном спекании частиц порошкообразного материала до образования физического объекта по заданной CAD-модели. Спекание материала происходит под воздействием луча одного или нескольких лазеров. Перед началом процесса построения расходный материал разогревается почти до температуры плавления, что облегчает и ускоряет работу SLS-установки.

Процесс построения по технологии SLS аддитивен. То есть «выращивание» изделия происходит слой за слоем снизу вверх. Специальный равняющий механизм подает порошок из камеры с расходным материалом в камеру построения. Затем лазер «прожигает» слой изделия на основе компьютерной модели. После этого в камеру построения подается следующий слой материала. Процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет полностью построен. В ходе печати платформа построения постоянно опускается вниз (шаг равен толщине печатного слоя). Таким образом, зона взаимодействия материала и луча лазера всегда находится на одном уровне.

Как было сказано выше, SLS-процесс не нуждается в использовании специальных материалов поддержки. В качестве опорных структур для строящейся модели здесь выступает неиспользованный порошок (который после извлечения готового объекта очищается и может снова использоваться для печати).

Материалы для SLS-печати

3D-принтеры, работающие по технологии SLS, используют для печати различные виды порошковых пластиков. Оборудование компании 3D Systems работает с промышленными материалами серии DuraForm:

DuraForm EX Natural - ударопрочный жесткий материал белого цвета;
DuraForm EX Black - ударопрочный материал черного цвета, по свойствам аналогичен полипропилену и инженерному ABS;
DuraForm Flex - гибкий резиноподобный износостойкий материал;
DuraForm FR 100 - огнестойкий инженерный пластик, подходит для производства аэрокосмических деталей;
DuraForm GF - жесткий инженерный пластик, повышенная термостойкость и изотропные свойства;

SLS (Selective Laser Sintering) – селективное лазерное спекание, одна из наиболее широко применяемых аддитивных технологий . Принцип действия SLS заключается в точечном спекании пластиковых порошков с разными компонентами лазерным лучом. Также существуют машины, которые спекают порошковый металл – эта технология 3D-печати металлом устарела, но еще применяется. Мощность луча в производственных 3D-принтерах варьируется от 30 до 200 ватт.

Метод был создан в середине 1980-х в Техасском университете в Остине Карлом Декардом и Джо Биманом. В 1989 году изобретение запатентовала основанная Декардом фирма DTM Corporation, которую впоследствии приобрела компания . В недрах последней была создана еще одна фундаментальная аддитивная технология – это лазерная стереолитография (SLA-печать). Этот факт, несомненно, сыграл свою роль в укреплении лидирующих позиций компании в индустрии трехмерной печати. SLS-установки, выпускаемые 3D Systems, представляют собой наиболее передовые решения на рынке.

Процесс селективного лазерного спекания

1. Технологический процесс начинается с разогревания материала до температуры, близкой к температуре плавления, что обеспечивает более быструю работу порошкового 3D-принтера .
2. Порошок подается в камеру построения и разравнивается валиком на толщину минимального слоя материала.
3. Лазерный луч спекает слои порошка в необходимых участках, совпадающих с сечением 3D-модели.
4. Подается следующий слой порошка, камера построения опускается на уровень ниже.
5. Процедура повторяется, пока не получится готовое изделие.

Работающие по технологии SLS, имеют гибкие настройки. В зависимости от поставленных задач регулируются такие параметры, как температура, глубина и время воздействия. Также пользователь может задать работу либо только с переходными границами, либо спекание по всей глубине модели.

По завершении процесса построения может потребоваться финишная обработка. Для придания изделию идеально ровной формы выполняют полировку или шлифовку. Однако по мере усовершенствования технологий потребность в постобработке изделий, изготовленных на SLS-принтерах, становится все менее актуальной.

Технология 3D-печати по технологии SLS широко применяется в следующих отраслях:

• авиакосмическая промышленность;
• машиностроение;
• строительство;
• архитектура, искусство, дизайн;
• инженерная отрасль.

Селективное лазерное спекание используется при изготовлении:

• функциональных прототипов;
• продукции мелкосерийного производства;
• моделей для точного ;
• шлангов труб, прокладок, изоляционных шайб и других элементов в инженерии и строительстве;
• деталей силовых установок и многого другого.

Специфика и преимущества SLS-технологии

Особенность селективного лазерного спекания – в том, что для построения геометрически сложных деталей не используется материал поддержки . В роли поддерживающей структуры выступает порошок, не подвергшийся воздействию лазерного луча.

Материалы для 3D-печати по технологии SLS – пластиковые порошки с примесями, обладающие разными механическими свойствами. Широкий выбор материалов дает предприятиям, внедрившим SLS-технологию, дополнительную гибкость (подробнее – в разделе «Материалы для SLS-печати»).

Детали, созданные на SLS-установках 3D Systems

Отсутствие поддержек дает возможность моделировать сложнейшую геометрию (как внутренних элементов, так и целого изделия), которой нельзя добиться при создании изделий традиционными методами. Кроме того, исключается риск повреждения напечатанной детали. Как результат – значительная экономия времени на сборку и средств на материалы.

Еще одна важная выгода, которую дает технология, – большой объем камер построения . Это дает возможность напечатать достаточно крупные объекты или небольшую партию за одну сессию. Максимальный размер камеры, реализованный в 3D-принтере 3D Systems sPro 230, – 550 х 550 х 750 мм.

Технология обеспечивает высокую скорость печати . Поскольку она не предполагает полное расплавление частиц материала, SLS-установки более производительны, чем другие 3D-принтеры, работающие с порошками.

Модели и прототипы, созданные методом SLS, имеют превосходные механические характеристики : они отличаются прочностью, гибкостью, хорошей детализацией и термической стабильностью. не имеет себе равных, когда стоит задача изготовить долговечные пластиковые продукты. В плане прочности полученных изделий селективное лазерное спекание конкурирует с традиционными способами производства, такими как литье под давлением.

Как и у всех аддитивных технологий, у SLS-метода есть минусы. Во-первых, выращенные модели, как правило, требуют последующей обработки из-за шероховатой или пористой структуры. Во-вторых, предъявляются особые требования к помещению и условиям эксплуатации (главное – это фильтрация воздуха при кондиционировании, так как порошок вреден) . Наконец, как и в случае со всеми технологиями 3D-печати , это необходимость в крупных первоначальных инвестициях из-за высокой стоимости материалов и оборудования.

Материалы для SLS-печати

Благодаря широкому ассортименту технология SLS достаточно универсальна. Сюда входят однокомпонентные порошки или порошковые смеси из различных материалов, таких как:

• полимеры (в том числе , нейлон);
• металлы и сплавы (сталь, титан, драгоценные металлы, сплавы кобальта и хрома);
• композитные материалы;
• керамика;
• стекло;
• песчаные составы.

В 3D-принтерах 3D Systems используются материалы серии DuraForm, характеризующиеся высокой прочностью и долговечностью.

Перспективы развития технологии

Технология SLS изначально использовалась для быстрого прототипирования, но постепенно сфера ее применения расширялась. Селективное лазерное спекание показало отличные результаты при мелкосерийном изготовлении готовых изделий, мастер-моделей для литья и т.д.

Не так давно еще одним интересным направлением применения технологии стало изготовление предметов искусства. Технология продолжает развиваться: внедряются новые материалы, повышается мощность лазерного излучения, проводятся разработки по использованию нескольких материалов в одном технологическом процессе.

Профессиональные SLS-принтеры становятся производительнее, компактнее, проще в эксплуатации, при этом на рынке уже появились настольные модели, ориентированные на домашнее использование. Потенциал селективного лазерного спекания огромен, ведь этот метод открывает простор для реализации самых перспективных технических и творческих идей.