Guía de impresión 3D por sinterizado selectivo por láser (SLS)

El sinterizado selectivo por láser (SLS) es una tecnología de fabricación aditiva que utiliza un láser para sinterizar material de plástico pulverizado y convertirlo en una estructura sólida basada en un modelo 3D. La impresión 3D SLS lleva décadas siendo una opción extendida entre los ingenieros que se dedican al desarrollo de productos . Con un bajo coste por cada pieza, un alto nivel de productividad y materiales establecidos, esta tecnología es ideal para una amplia variedad de aplicaciones, desde la creación rápida de prototipos hasta la fabricación de pequeños lotes o el lanzamiento rápido de productos (conocido como bridge manufacturing).

Los últimos avances en maquinaria, materiales y software han hecho que la impresión 3D sea accesible para una gama más amplia de negocios, con lo que cada vez más empresas pueden usar herramientas que antes estaban limitadas a unas pocas industrias de vanguardia.

En esta guía exhaustiva vamos a hablar del proceso de sinterizado selectivo por láser y de los diferentes sistemas y materiales disponibles en el mercado. También vamos a explicar cuándo se debe utilizar el sinterizado selectivo por láser en vez de otros métodos de fabricación aditiva o tradicional.

Índice:


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Cómo tener éxito con la impresión 3D en la fabricación y la ingeniería

Déjate inspirar por las historias de empresas grandes y pequeñas que han logrado transformar sus procesos de trabajo y procedimientos tradicionales gracias a la impresión 3D.

*En inglés.


Historia de la impresión 3D SLS

El sinterizado selectivo por láser (SLS) fue una de las primeras técnicas de fabricación aditiva, desarrollada a mediados de la década de los 80 por los doctores Carl Deckard y Joe Beaman en la Universidad de Texas en Austin. Desde entonces, su método se ha adaptado para que funcione con una multitud de materiales, incluyendo plástico, metal, vidrio, cerámica y varios materiales compuestos pulverizados. Hoy en día, estas tecnologías se conocen de forma general como procesos de fabricación aditiva en lecho de polvo, que utilizan energía térmica para fusionar de forma selectiva partes de un lecho de polvo.

Los dos sistemas de lecho de polvo más comunes en la actualidad son los basados en material plástico, que normalmente reciben el nombre de sistemas SLS, y los basados en metal, conocidos como sinterizado directo de metal por láser (DMLS) o fusión selectiva por láser (SLM). Hasta hace poco, estos sistemas tenían un coste prohibitivo y resultaban difíciles de manejar, lo que limitaba su uso a pequeñas cantidades de alto valor o piezas a medida, como componentes para la industria aeroespacial o dispositivos médicos.

Recientemente, la innovación en este campo ha experimentado un rápido crecimiento y parece que los sistemas SLS basados en plástico están siguiendo los pasos de otras tecnologías de impresión 3D , como la estereolitografía (SLA) o el modelado por deposición fundida (FDM), para convertirse en sistemas accesibles o compactos de gran aceptación.

¿Cómo funciona la impresión 3D SLS?

Las impresoras 3D SLS usan un láser de alta potencia para fundir pequeñas partículas de polvo de polímero.

Proceso de impresión SLS

  1. El polvo se dispersa como una capa delgada encima de una plataforma dentro de la cámara de impresión.
  2. La impresora precalienta el polvo hasta alcanzar una temperatura apenas inferior al punto de fusión de la materia prima. Esto hace que sea más sencillo que el rayo láser aumente la temperatura de zonas específicas del lecho de polvo a medida que se mueve por el modelo para solidificar la pieza.
  3. El láser recorre una sección transversal del modelo 3D y calienta el polvo hasta alcanzar una temperatura inferior o correspondiente con el punto de fusión del material. Este proceso funde las partículas y las une de forma mecánica para crear una pieza sólida. El polvo sin fundir sirve como soporte para la pieza durante la impresión y elimina la necesidad de agregar expresamente estructuras de soporte.
  4. La plataforma de impresión desciende una altura de capa hacia la cámara de impresión, que suele ser de entre 50 y 200 micras, y un recubridor aplica una nueva capa de polvo por encima. A continuación, el láser recorre la siguiente sección transversal del proyecto.
  5. Este proceso se repite con cada capa hasta que las piezas se completan. Después, se deja que las piezas terminadas se enfríen de manera gradual dentro de la impresora.
  6. Cuando las piezas se han enfriado, el operario retira la cámara de impresión de la impresora y la transfiere a una estación de limpieza, donde separa las piezas impresas y limpia el exceso de polvo.

 

La impresión SLS utiliza un láser para sinterizar material de plástico pulverizado y convertirlo en una estructura sólida basada en un modelo 3D.

Recuperación de las piezas y posacabado

El posacabado del sinterizado selectivo por láser requiere una inversión mínima de tiempo y trabajo y produce resultados sistemáticos para lotes formados por muchas piezas.

Cuando se completa una impresión, hay que retirar las piezas terminadas de la cámara de impresión, separarlas y limpiar el exceso de polvo. Este proceso se suele completar de manera manual en una estación de limpieza con aire comprimido o una máquina de chorreado.

Las piezas fabricadas por SLS presentan un acabado de la superficie ligeramente rugoso y granulado nada más salir de la impresora, parecido a un papel de lija de grano medio. El nailon ofrece toda una variedad de posibilidades para el posacabado, como pulido, tinte, pintura, esmaltado al horno, revestimiento de metal, adhesión, revestimiento en polvo o flocado.

Recuperación del material

Tras recuperar la pieza, se filtra el exceso de polvo restante para eliminar las partículas más grandes y reciclarlas. El polvo sin fusionar se degrada ligeramente si se expone a altas temperaturas, así que se debería refrescar con material nuevo para su uso en otras impresiones. La posibilidad de reutilizar el material para otras impresiones hace que la impresión SLS sea uno de los métodos de fabricación que menos derroche de material produce.

Tipos de sistemas de impresión SLS

Todos los sistemas de sinterizado selectivo por láser se basan en el proceso que hemos descrito anteriormente. Las principales diferencias radican en el tipo de láser que se utiliza y en el tamaño de la base de impresión. Los diferentes sistemas disponibles emplean distintas soluciones para controlar la temperatura, la dispensación de polvo y la deposición de las capas.

El sinterizado selectivo por láser requiere un alto nivel de precisión y un control estricto. La temperatura del polvo y la de las piezas (sin terminar) no debe variar más de 2 ºC durante las tres fases del precalentado, sinterizado y almacenamiento antes de retirar la pieza, de forma que se minimice la posibilidad de que se produzca deformación, esfuerzos o distorsión provocada por el calor.

Impresoras 3D SLS industriales

La impresión 3D SLS industrial se utiliza para muchas aplicaciones, desde piezas de repuesto para el fabricante de camiones más grande del mundo hasta ropa impresa a medida. Los sistemas más grandes pueden imprimir piezas de hasta un metro de longitud.

Los sistemas de impresión 3D SLS industriales utilizan uno o varios láseres de alta potencia de dióxido de carbono. Cuanto más grande sea el volumen de impresión, más complejo será el sistema. La impresión SLS industrial requiere el uso de un entorno inerte (de nitrógeno u otros gases) para evitar que el polvo se oxide o se degrade. Por lo tanto, el sinterizado selectivo por láser industrial requiere un equipo especializado de tratamiento del aire. Estos sistemas también requieren potencia industrial, ya que incluso las máquinas industriales más pequeñas necesitan un espacio de instalación de al menos 10 m².

Impresoras 3D SLS de trabajo

 

Las impresoras 3D SLS de trabajo (como la Fuse 1 de Formlabs) ofrecen resultados similares a los sistemas industriales en un formato compacto y manejable.

Los sistemas SLS de trabajo no requieren infraestructura especializada y pueden caber fácilmente en tu taller u oficina.

Las impresoras 3D SLS de trabajo utilizan un láser de diodo o de fibra en vez de un láser de CO2 como el que utilizan los sistemas industriales para proporcionar la misma calidad del rayo a un menor coste.

Al ser más pequeña, área de impresión de una máquina de trabajo requiere menos calentado. Dado que el polvo se expone durante menos tiempo a temperaturas elevadas, no hay necesidad de contar con gases inertes ni equipo especializado de tratamiento del aire. Además, como el consumo general de energía es menor, los sistemas de trabajo pueden funcionar con una potencia estándar de corriente alterna y sin infraestructura especializada.

En general, las impresoras 3D SLS de trabajo ofrecen un volumen de impresión ligeramente reducido y menos velocidad que los sistemas SLS industriales más pequeños, pero a cambio ocupan una superficie mucho menor y son más asequibles.

Comparación de impresoras 3D SLS

SLS de trabajoSLS industrial
PrecioDesde 10 000 $Desde 200 000 $ hasta más de 1 000 000 $
Volumen de impresiónHasta 165 x 165 x 320 mmHasta 550 x 550 x 750 mm
VentajasAsequible
Proceso de trabajo simplificado
Poco mantenimiento
Ocupa menos superficie
Gran volumen de impresión
Alta tasa de producción
Amplia gama de materiales
InconvenientesVolumen de impresión medioMaquinaria costosa
Ocupa una gran superficie
Mucho mantenimiento
Se necesita un operario

Esta comparación se base en la impresora 3D SLS de trabajo Fuse 1 de Formlabs y en sistemas SLS industriales de EOS y 3D Systems.


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*En inglés.


Materiales de impresión 3D SLS

El material más común para sinterizado selectivo por láser es el nailon, un popular termoplástico para ingeniería que goza de gran popularidad por ser ligero, resistente y flexible. El nailon es estable frente a impactos, sustancias químicas, el calor, la luz UV, el agua y la suciedad, lo que hace que sea perfecto para la creación rápida de prototipos y la producción.

El nailon es ideal para toda una gama de aplicaciones funcionales, desde productos de ingeniería para el consumo hasta aplicaciones sanitarias.

El nailon es un polímero termoplástico sintético que pertenece a la familia de las poliamidas. Las dos versiones que se suelen utilizar en el sinterizado selectivo por láser son el Nailon 11 y el Nailon 12, también conocidos como PA11 y PA12.

PA es la abreviatura de poliamida y los números representan el número de átomos de carbono que contiene el material. Estos dos materiales tienen propiedades parecidas: la PA11 es algo más flexible y resiste mejor a los impactos, mientras que la PA12 es más resistente, soporta mejor a la abrasión y es biocompatible.

Propiedades de los materiales de nailon para SLS

Nailon PA12Nailon PA11
Resistencia a la rotura por tracción50 MPa48 MPa
Módulo de Young1850 MPa1560 MPa
Alargamiento de rotura12 %35 %
Temperatura de flexión bajo carga (HDT)154 °C a 0,45 MPa130 °C a 0,45 MPa

 

Tanto el Nailon 11 como el 12 son polvos de un solo componente, pero las impresoras 3D SLS también pueden usar polvos de dos componentes, como polvos recubiertos o mezclas de polvos. Los compuestos de nailon con aluminuro, carbono o vidrio están desarrollados para optimizar las piezas de forma que ofrezcan mayor resistencia, rigidez o flexibilidad. Con estos polvos de dos componentes, solo se sinteriza el componente con el punto de transición vítrea más bajo, lo que une ambos componentes.

¿Por qué debes elegir la impresión 3D SLS?

Los ingenieros optan por el sinterizado selectivo por láser por la libertad de diseño que ofrece, su alta productividad y rendimiento, el bajo coste por pieza y su trayectoria probada.

Libertad de diseño

La mayoría de procesos de fabricación aditiva, como la estereolitografía (SLA) y el modelado por deposición fundida (FDM) requieren estructuras de soporte específicas para fabricar diseños con proyecciones.

El sinterizado selectivo por láser no necesita estructuras de soporte porque el polvo sin sinterizar rodea las piezas durante la impresión. La impresión SLS puede producir geometrías complejas que antes eran imposibles de lograr, como engranajes, piezas con componentes o canales interiores y otros diseños de gran complejidad.

Férula para la mano diseñada con un complejo patrón para reducir el peso.

Por lo general, los ingenieros diseñan piezas teniendo en cuenta las capacidades del proceso de fabricación final, también conocido como diseño orientado a la fabricación (DFM). Cuando se utiliza la fabricación aditiva solo para la creación de prototipos, se limita a piezas y diseños que se puedan reproducir durante la producción con herramientas de fabricación convencionales.

Ahora que el sinterizado selectivo por láser se está convirtiendo en un método de fabricación rápido y viable para un número cada vez mayor de aplicaciones finales, es posible que abra paso a nuevas posibilidades de diseño y fabricación. Con la impresión SLS se pueden fabricar diseños complejos que normalmente requeriría múltiples piezas en una sola impresión. Esto ayuda a reducir la carga de juntas débiles y acorta el tiempo de montaje.

El sinterizado selectivo por láser puede sacar el máximo provecho al diseño generativo al permitir diseños ligeros que emplean enrejados complejos que serían imposibles de fabricar con los métodos tradicionales.

Alta productividad y rendimiento

La impresión SLS es la tecnología de fabricación aditiva más rápida para crear prototipos y piezas de uso final funcionales y duraderas. Los láseres que fusionan el polvo tienen una velocidad de escaneado mucho mayor y son más precisos que los métodos de deposición de capas que se utilizan en otros procesos como la impresión FDM industrial.

Además, se pueden colocar las piezas durante la impresión de forma que se maximice el espacio disponible en cada máquina. Los operarios utilizan software para optimizar cada impresión y lograr la máxima productividad dejando solo un espacio libre mínimo entre las piezas.

La impresión SLS permite que los operarios coloquen la mayor cantidad de piezas posible en la cámara de impresión y que las impriman sin soportes para ahorrar tiempo de posacabado.

Por otra parte, se pueden añadir piezas a la base mientras la impresión está en progreso. De esta forma, se pueden hacer cambios de última hora al diseño o añadir iteraciones consecutivas para un prototipo.

Materiales comprobados y duraderos

La clave de la funcionalidad y versatilidad de la impresión 3D SLS se encuentra en el material. El nailon y sus compuestos son termoplásticos comprobados y de alta calidad. Las piezas de nailon sinterizadas por láser tienen una densidad de casi el 100 % con propiedades mecánicas comparables a las que se consiguen con métodos de fabricación convencionales, como por ejemplo el moldeo por inyección.

Conjunto de taladro impreso con Nailon PA 12. Las piezas de nailon se pueden posacabar fácilmente para conseguir acabados de las superficie lisos y profesionales.

El nailon SLS es un excelente sustituto de los plásticos habituales para el moldeo por inyección. Ofrece bisagras flexibles y fijaciones mediante presilla y otras juntas de mejor calidad en comparación con cualquier otra tecnología de fabricación aditiva. Es ideal para las aplicaciones funcionales que requieran piezas de plástico duraderas en casos en los que las piezas fabricadas con otros métodos de fabricación aditiva se degradarían y quebrarían con el tiempo.

Coste competitivo por pieza

Por lo general, para calcular el coste por pieza es necesario tener en cuenta el equipo del que se dispone, el material y los costes de la mano de obra:

  • Equipo disponible: cuantas más piezas pueda producir una máquina a lo largo de su vida útil, menores serán los costes por cada pieza individual. Como resultado, una mayor productividad conlleva un menor coste del equipo del que se dispone calculado a partir del coste de cada pieza. Teniendo en cuenta la rapidez de escaneado del láser, la colocación de las piezas para maximizar la capacidad de impresión y el sencillo proceso de posacabado, la impresión 3D SLS ofrece la mayor tasa de productividad y rendimiento de todas las técnicas de fabricación aditiva.

  • Material: si bien la mayoría de las tecnologías de impresión 3D utilizan materiales patentados, el nailon es un termoplástico habitual producido en grandes cantidades para usos industriales, lo que hace que sea una de las materias primas menos costosas para la fabricación aditiva. Además, la ausencia de estructuras de soporte y la posibilidad de reutilizar el polvo hacen que la impresión SLS produzca un desperdicio mínimo.

  • Mano de obra: el talón de Aquiles de muchas de las soluciones de impresión 3D es la mano de obra. La mayoría de métodos conlleva procesos de trabajo complejos que son difíciles de automatizar y que pueden tener un impacto considerable en el coste por pieza. La impresión SLS conlleva un sencillo proceso de posacabado, por lo que no se necesita tanta mano de obra.

Reducción de los ciclos de desarrollo de productos

El sinterizado selectivo por láser permite que los ingenieros creen prototipos de piezas en las fases iniciales del ciclo de diseño. Después, pueden utilizar la misma máquina y el mismo material para producir piezas de uso final. La impresión 3D SLS no requiere el mismo utillaje que conlleva la fabricación tradicional, que supone un alto precio y consume mucho tiempo, de forma que los prototipos de las piezas y de los conjuntos se pueden someter a ensayo y modificar fácilmente a lo largo de unos pocos días. Esta posibilidad reduce considerablemente los tiempos de desarrollo de productos.

Dado el bajo coste por pieza y el uso de materiales competentes y duraderos, la impresión SLS es una forma asequible de producir piezas complejas y personalizadas o series de pequeños componentes para productos finales. En muchos casos, el sinterizado por láser resulta una alternativa asequible al moldeo por inyección para la fabricación limitada o el lanzamiento rápido de productos (conocido como bridge manufacturing).

Conoce la impresora 3D SLS Fuse 1

Hasta ahora, las impresoras 3D SLS han tenido un coste prohibitivo para la mayoría de empresas, dado que una sola máquina podía costar más de 200 000 $.

Conoce la Fuse 1, el primer sistema SLS de trabajo de Formlabs.

Con la Fuse 1, Formlabs lleva la potencia industrial del sinterizado selectivo por láser (SLS) al trabajo, ayudando a acercar los medios de producción a más empresas.