Селективное лазерное спекание ( SLS ) - это метод аддитивного производства (AM), который использует лазер в качестве источника энергии для спекания порошкообразного материала (обычно нейлона или полиамида ), автоматически направляя лазер в точки в пространстве, определяемые 3D-моделью , связывая материал. вместе, чтобы создать прочную структуру. Это похоже на селективное лазерное плавление ; это два экземпляра одной и той же концепции, но отличаются техническими деталями. SLS (как и другие упомянутые методы AM) - относительно новая технология, которая до сих пор в основном использовалась для быстрого прототипирования и длямелкосерийное производство комплектующих. Производственные роли расширяются по мере улучшения коммерциализации технологии AM.
История
Селективное лазерное спекание (SLS) было разработано и запатентовано доктором Карлом Декардом и научным руководителем доктором Джо Биманом в Техасском университете в Остине в середине 1980-х годов при спонсорской поддержке DARPA . [1] Декард и Биман были вовлечены в создание новой компании DTM, созданной для проектирования и производства машин SLS. В 2001 году компания 3D Systems, крупнейший конкурент технологий DTM и SLS, приобрела DTM. [2] Последний патент на технологию SLS компании Deckard был выдан 28 января 1997 г., срок его действия истек 28 января 2014 г. [3]
Аналогичный процесс был запатентован, но не получил коммерческой реализации компанией RF Housholder в 1979 г. [4]
Поскольку SLS требует использования мощных лазеров, его использование в домашних условиях зачастую слишком дорого, не говоря уже о том, что возможно слишком опасно. Стоимость и потенциальная опасность SLS-печати означает, что внутренний рынок SLS-печати не так велик, как рынок других технологий аддитивного производства, таких как Fused Deposition Modeling (FDM).
Технология
Технология аддитивного производства слоев SLS включает использование мощного лазера (например, углекислотного лазера ) для сплавления небольших частиц пластмассового , металлического , керамического или стеклянного порошка в массу, имеющую желаемую трехмерную форму. Лазер избирательно плавит порошковый материал путем сканирования поперечных сечений, созданных на основе трехмерного цифрового описания детали (например, из файла САПР или данных сканирования) на поверхности порошкового слоя. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка опускается на один слой, сверху наносится новый слой материала, и процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет завершена. [5]
Поскольку плотность готовой детали зависит от пиковой мощности лазера, а не от продолжительности лазера, в аппарате SLS обычно используется импульсный лазер . Установка SLS предварительно нагревает сыпучий порошковый материал в порошковом слое несколько ниже его точки плавления, чтобы лазеру было легче поднять температуру выбранных областей до точки плавления. [6]
В отличие от SLA и FDM, которые чаще всего требуют специальных опорных конструкций для изготовления нависающих конструкций, SLS не нуждается в отдельном питателе для опорного материала, потому что конструируемая деталь все время окружена неспеченным порошком. Это позволяет создавать ранее невозможные геометрические формы. Кроме того, поскольку камера машины всегда заполнена порошковым материалом, изготовление нескольких деталей оказывает гораздо меньшее влияние на общую сложность и цену конструкции, потому что с помощью метода, известного как `` вложение '', когда несколько деталей могут быть расположены так, чтобы соответствовать друг другу. границы машины. Однако один аспект конструкции, который следует учитывать, заключается в том, что с помощью SLS «невозможно» изготовить полый, но полностью закрытый элемент. Это связано с тем, что неспеченный порошок внутри элемента нельзя было слить.
Поскольку срок действия патентов начал истекать, стали доступны доступные домашние принтеры, но процесс нагрева по-прежнему является препятствием, поскольку потребляемая мощность достигает 5 кВт, а температуру необходимо контролировать в пределах 2 ° C для трех этапов предварительного нагрева и плавления. и хранение перед удалением. [1]
Материалы
Качество печатных структур зависит от различных факторов, включая свойства порошка, такие как размер и форма частиц, плотность, шероховатость и пористость. [7] Кроме того, распределение частиц и их термические свойства сильно влияют на сыпучесть порошка. [8]
Коммерчески доступные материалы, используемые в SLS, бывают в форме порошка и включают, помимо прочего, полимеры, такие как полиамиды (PA), полистиролы (PS), термопластические эластомеры (TPE) и полиарилэфиркетоны (PAEK). [9] Полиамиды являются наиболее часто используемыми материалами SLS из-за их идеальных характеристик спекания в качестве полукристаллического термопласта , что приводит к деталям с желаемыми механическими свойствами. [10] Поликарбонат (ПК) представляет большой интерес для SLS из-за его высокой прочности, термической стабильности и огнестойкости; однако такие аморфные полимеры, обработанные SLS, имеют тенденцию приводить к деталям с ухудшенными механическими свойствами, точностью размеров и, таким образом, ограничены приложениями, где они не имеют большого значения. [10] Металлические материалы обычно не используются в SLS с момента развития селективного лазерного плавления .
Производство порошков
Частицы порошка обычно производятся путем криогенного измельчения в шаровой мельнице при температурах значительно ниже температуры стеклования материала, чего можно достичь, запустив процесс измельчения с добавлением криогенных материалов, таких как сухой лед (сухое измельчение) или смеси жидкостей. азот и органические растворители (мокрый помол). [11] В результате процесса могут быть получены частицы сферической или неправильной формы диаметром всего пять микрон . [11] Гранулометрический состав порошка обычно гауссовский и находится в диапазоне от 15 до 100 микрон в диаметре, хотя его можно настроить для соответствия разной толщине слоя в процессе SLS. [12] Покрытия из химического связующего могут быть нанесены на порошковые поверхности после обработки; [13] эти покрытия способствуют процессу спекания и особенно полезны для формирования деталей из композиционных материалов, таких как частицы оксида алюминия, покрытые термореактивной эпоксидной смолой . [12]
Механизмы спекания
Спекание в SLS в основном происходит в жидком состоянии, когда частицы порошка образуют слой микроплавления на поверхности, что приводит к снижению вязкости и образованию вогнутой радиальной перемычки между частицами, известной как сужение, [13] из-за реакция материала на снижение его поверхностной энергии. В случае порошков с покрытием цель лазера - расплавить поверхностное покрытие, которое будет действовать как связующее. Спекание в твердом состоянии также является фактором, хотя и в гораздо меньшей степени, и происходит при температурах ниже температуры плавления материала. Основной движущей силой этого процесса снова является реакция материала на понижение состояния свободной энергии, что приводит к диффузии молекул через частицы.
Приложения
Технология SLS широко используется во многих отраслях промышленности по всему миру из-за ее способности легко создавать сложные геометрические формы с минимальными дополнительными производственными усилиями или без них. Чаще всего он применяется в прототипах деталей на ранних этапах цикла проектирования, таких как модели для литья по выплавляемым моделям, автомобильное оборудование и модели аэродинамической трубы . SLS также все чаще используется в ограниченном производстве для производства деталей конечного использования для аэрокосмического, военного, медицинского и электронного оборудования. В цехе SLS можно использовать для быстрого изготовления оснастки, приспособлений и приспособлений . [14] Поскольку процесс требует использования лазера и другого дорогостоящего и громоздкого оборудования, он не подходит для личного или домашнего использования; однако он нашел применение в искусстве [ссылка художника EOS с изображениями].
Преимущества
- Слой из спеченного порошка полностью самонесущий, что позволяет:
- большие углы нависания (от 0 до 45 градусов от горизонтальной плоскости)
- сложные геометрические формы, глубоко встроенные в детали, такие как конформные каналы охлаждения
- серийное производство нескольких деталей, созданных в трехмерных массивах, этот процесс называется раскладкой.
- Детали обладают высокой прочностью и жесткостью.
- Хорошая химическая стойкость
- Различные возможности отделки (например, металлизация, эмалирование печи, вибрационное шлифование, окраска ванн, склеивание, порошок, покрытие, флокирование)
- Биосовместимость в соответствии с EN ISO 10993-1 [15] и USP / уровень VI / 121 ° C.
- Сложные детали с внутренними компонентами могут быть построены без захвата материала внутри и изменения поверхности после снятия опоры.
- Самый быстрый процесс аддитивного производства для печати функциональных, долговечных, прототипов или деталей конечного пользователя
- Широкий выбор материалов с характеристиками прочности, долговечности и функциональности.
- Благодаря надежным механическим свойствам детали часто могут заменять типичные пластмассы для литья под давлением.
Недостатки
- детали имеют пористую поверхность; они могут быть запечатаны несколькими различными методами последующей обработки, такими как цианоакрилатные покрытия [16] или горячим изостатическим прессованием .
Смотрите также
- 3D печать
- Настольное производство
- Цифровой производитель
- Прямое цифровое производство
- Fab lab
- Моделирование наплавленного осаждения (FDM)
- Мгновенное производство , также известное как прямое производство или производство по запросу
- Быстрое производство
- Быстрое прототипирование
- RepRap Project
- Изготовление твердого материала произвольной формы
- Стереолитография (SLA)
- Универсальный конструктор фон Неймана
Рекомендации
- ^ Декард, К., «Способ и устройство для изготовления деталей путем селективного спекания», патент США 4863538 , поданной 17 октября 1986, опубликованном 5 сентября 1989.
- ^ Лу, Алекс и Гросвенор, Кэрол « Селективное лазерное спекание, рождение отрасли », Техасский университет , 7 декабря 2012 г. Проверено 22 марта 2013 г.
- ^ US5597589
- ^ Housholder, Р., "Molding Process", патент США 4247508 , поданный 3 декабря 1979, опубликованный 27 января 1981 года.
- ^ «Руководство по проектированию: селективное лазерное спекание (SLS)» (PDF) . Xometry .
- ^ Прасад К.Д.В. Ярлагадда; С. Нараянан (февраль 2005 г.). GCMM 2004: 1-я Международная конференция по производству и менеджменту . Alpha Science Int'l. С. 73–. ISBN 978-81-7319-677-5. Проверено 18 июня 2011 года .
- ^ Leturia, M .; Benali, M .; Lagarde, S .; Ronga, I .; Салех, К. (01.02.2014). «Характеристика текучести когезионных порошков: сравнительное исследование традиционных и новых методов испытаний» . Порошковая технология . 253 : 406–423. DOI : 10.1016 / j.powtec.2013.11.045 . ISSN 0032-5910 .
- ^ Leu, Ming C .; Паттнаик, Шашваташиш; Хилмас, Грегори Э. (март 2012 г.). «Исследование лазерного спекания для изготовления деталей из диборида циркония произвольной формы» . Виртуальное и физическое прототипирование . 7 (1): 25–36. DOI : 10.1080 / 17452759.2012.666119 . ISSN 1745-2759 . S2CID 137566316 .
- ^ «Высококачественные пластмассовые материалы для аддитивного производства» . www.eos.info . Проверено 19 февраля 2019 .
- ^ а б Клоос, Стефани; Dechet, Maximilian A .; Пойкерт, Вольфганг; Шмидт, Йохен (июль 2018 г.). «Производство сферических полукристаллических микрочастиц поликарбоната для аддитивного производства путем разделения фаз жидкость-жидкость». Порошковая технология . 335 : 275–284. DOI : 10.1016 / j.powtec.2018.05.005 . ISSN 0032-5910 .
- ^ а б Шмидт, Йохен; Плата, Мигель; Трегер, Сулай; Пойкерт, Вольфганг (сентябрь 2012 г.). «Производство полимерных частиц размером менее 5 мкм мокрым измельчением». Порошковая технология . 228 : 84–90. DOI : 10.1016 / j.powtec.2012.04.064 . ISSN 0032-5910 .
- ^ а б Ян, Цюпин; Ли, Хуэйчжи; Чжай, Юбо; Ли, Сяофэн; Чжан, Пэйчжи (13.08.2018). «Синтез покрытых эпоксидной смолой композитов Al2O3 для селективного лазерного спекания 3D-печати». Журнал быстрого прототипирования . 24 (6): 1059–1066. DOI : 10,1108 / гн-09-2017-0189 . ISSN 1355-2546 .
- ^ а б Kruth, J-P .; Mercelis, P .; Van Vaerenbergh, J .; Froyen, L .; Ромбоутс, М. (февраль 2005 г.). «Механизмы связывания в селективном лазерном спекании и селективном лазерном плавлении». Журнал быстрого прототипирования . 11 (1): 26–36. DOI : 10.1108 / 13552540510573365 . ISSN 1355-2546 .
- ^ «Обзор приложений для селективного лазерного спекания | Краткие руководства» . www.3dsystems.com . Проверено 25 февраля 2019 .
- ^ Биологическая оценка медицинских изделий - Часть 1: Оценка и тестирование в процессе управления рисками (ISO 10993-1: 2009) . Международная организация по стандартизации (ISO). 2009. OCLC 839985896 .
- ^ https://www.anubis3d.com/technology/selective-laser-sintering/
Внешние ссылки
- DMLS - ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ
- Селективное лазерное спекание, зарождение отрасли
- Лазерное спекание, плавление и другие - SLS, SLM, DMLS, DMP, EBM, SHS