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

Ingenieros y fabricantes de diversos sectores confían en la impresión 3D por sinterizado selectivo por láser (SLS) por su capacidad de generar piezas resistentes y funcionales.

En esta guía exhaustiva vamos a hablar del proceso de sinterizado selectivo por láser, de los diferentes sistemas y materiales disponibles en el mercado para esta técnica, del proceso de trabajo para las impresoras SLS y de sus diversas aplicaciones. También vamos a explicar cuándo se debe utilizar la impresión 3D SLS en vez de otros métodos de fabricación aditiva o tradicional.

El sinterizado selectivo por láser es una tecnología de fabricación aditiva que utiliza un láser de alta potencia para sinterizar pequeñas partículas de polímero en polvo y convertirlo en una estructura sólida basada en un modelo 3D. 

La impresión 3D SLS lleva décadas siendo una opción extendida entre los ingenieros y los fabricantes. 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 el prototipado rápido hasta la fabricación en lotes pequeños, el lanzamiento rápido de productos (conocido como bridge manufacturing) o la fabricación a medida.

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 estas herramientas que antes estaban limitadas a unas pocas industrias de vanguardia.

Presentamos la serie de impresoras 3D SLS Fuse de Formlabs, con las que la impresión 3D SLS de alto rendimiento por fin está a tu alcance.

1. Impresión: El polvo se dispersa como una capa delgada encima de una plataforma que está dentro de la cámara de impresión. La impresora precalienta el polvo hasta una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del material en bruto, con lo que resulta más sencillo que el láser aumente la temperatura de zonas específicas del lecho de polvo a medida que se mueve por el modelo solidificando la pieza. 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. A continuación, la plataforma desciende una altura de capa, que suele ser de entre 50 y 200 micras, y el proceso se repite en cada capa hasta que las piezas estén completadas.

2. Enfriamiento: Tras la impresión, la cámara de impresión debe enfriarse ligeramente dentro del recinto de impresión y después fuera de la impresora, para asegurar unas propiedades mecánicas óptimas y evitar que se deformen las piezas.

3. Posacabado: Hay que retirar las piezas terminadas de la cámara de impresión, separarlas y limpiar el exceso de polvo. El polvo se puede reciclar y se les puede dar un posacabado adicional a las piezas mediante un granallado o pulido.

Si quieres conocer los detalles del proceso de trabajo, consulta el apartado "El proceso de trabajo de la impresión 3D SLS", que mostramos más adelante.

Dado que el polvo sin fundir sirve como soporte para la pieza durante la impresión, no es necesario agregar expresamente estructuras de soporte. Esto hace que la impresión por SLS sea ideal para geometrías complejas, como relieves interiores, socavados, paredes delgadas y elementos cóncavos. 

Las piezas producidas mediante la impresión 3D SLS tienen excelentes características mecánicas, con una resistencia similar a la de las piezas moldeadas por inyección.

El sinterizado selectivo por láser 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, como plásticos, metales, vidrio, cerámica y diversos materiales compuestos en polvo. Hoy en día, estas tecnologías se conocen de forma general como fusión de lecho de polvo: procesos de fabricación aditiva que utilizan energía térmica para fundir de forma selectiva partes de un lecho de polvo.

Los dos sistemas de impresión 3D con fusión 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, los sistemas de fusión tanto del plástico como del metal tenían un coste prohibitivo y resultaban difíciles de manejar, lo que limitaba su uso a pequeñas cantidades de piezas a medida o de alto valor, como componentes para la industria aeroespacial o productos sanitarios.

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.

Todas las impresoras 3D de sinterizado selectivo por láser se basan en el proceso que hemos descrito en el apartado anterior. Las principales diferencias radican en el tipo de láser que se utiliza, el tamaño de la base de impresión y la complejidad del sistema. Las diferentes máquinas 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 a lo largo de todo el proceso de impresión. 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.

El sinterizado selectivo por láser ha sido una de las tecnologías de impresión 3D más populares entre los profesionales durante décadas, pero su complejidad, sus requisitos y su precio elevado han limitado su uso a proveedores de servicios y a grandes empresas. 

Estas máquinas requieren potencia industrial y una climatización especial, y hasta las máquinas industriales más pequeñas necesitan un espacio de instalación de al menos 10 m². Prepararlas requiere varios días, con una instalación y una formación presenciales. Su proceso de trabajo complejo y la acusada curva de aprendizaje también hacen que estos sistemas necesiten un técnico experto in situ que se ocupe del uso y el mantenimiento de la máquina. 

El precio del SLS industrial tradicional, que parte desde unos 200 000 € y crece considerablemente si se adquieren soluciones completas, ha hecho que este método de fabricación no sea accesible para muchos negocios.

Igual que con otras tecnologías de impresión 3D como el FDM o la SLA, han empezado a aparecer recientemente sistemas SLS compactos y más económicos, pero estas soluciones traían consigo inconvenientes considerables al principio, como una menor calidad de las piezas y procesos de trabajo manuales y complejos derivados de la falta de soluciones de posacabado, lo que limitaba su uso en entornos industriales y de producción.

La Fuse 1 de Formlabs eliminó esta diferencia y creó su propia categoría como la primera impresora 3D SLS industrial de trabajo que ofrecía una alta calidad en un espacio reducido y un proceso de trabajo completo y simplificado por un precio menor que el de los sistemas de SLS industriales tradicionales. Ahora, la impresora de última generación Fuse 1+ 30W amplía esa categoría con un láser más potente, características de manipulación del polvo mejoradas y nuevas capacidades de los materiales para obtener piezas de calidad industrial y un rendimiento alto.

Las impresoras 3D SLS de la serie Fuse utilizan un único láser y tienen una cámara de impresión pequeña que requiere un calentamiento menor. Su menor consumo de energía hace que puedan funcionar con una alimentación de corriente alterna estándar sin requerir una infraestructura especializada. Una función opcional de nitrógeno para la impresora Fuse 1+ 30W crea un entorno con gas inerte, que mantiene la calidad del polvo sin sinterizar para obtener un índice de renovación más bajo (más polvo reciclado que polvo nuevo en impresiones consecutivas), minimizando el desperdicio y haciendo posible un mejor acabado de la superficie en las piezas sinterizadas. 

Las impresoras de la serie Fuse también incluyen una tecnología con patente en trámite llamada Surface Armor, un armazón semisinterizado que permite que la zona en torno a las piezas mantenga un calor uniforme durante la impresión. Con esto se asegura un acabado de la superficie excelente, propiedades mecánicas uniformes, una gran fiabilidad y mejores índices de renovación.

Para ofrecer un ecosistema compacto y contenido y un control total del polvo, las impresoras de la serie Fuse vienen acompañadas de la Fuse Sift, que cubre la extracción de las piezas, la recuperación del polvo, el almacenamiento y el mezclado; todo en un único dispositivo sin anclajes, y la Fuse Blast, una solución de limpieza y pulido totalmente automatizada.

En general, la impresión 3D SLS industrial de sobremesa con las impresoras de la serie Fuse ofrece un volumen de impresión ligeramente menor que el de los sistemas SLS tradicionales básicos, pero a cambio ocupan una superficie mucho menor, tienen un proceso de trabajo simplificado y son más asequibles.

Esta comparación se basa en el sistema SLS industrial de sobremesa de la serie Fuse de Formlabs y en sistemas SLS industriales tradicionales de EOS y 3D Systems.

La impresión 3D SLS acelera la innovación y potencia los negocios en muchos sectores, como la ingeniería, la fabricación y la sanidad. 

Usa cualquier software de diseño asistido por ordenador (CAD) o datos de escaneo 3D para diseñar tu modelo y expórtalo en un formato de archivo imprimible en 3D (STL, OBJ o 3MF). Todas las impresoras SLS incluyen software con ajustes de impresión cuidadosamente configurados que ayudan a orientar y disponer los modelos, estimar el tiempo de impresión y dividir el modelo digital en capas para imprimirlo. Cuando se finaliza la configuración, el software de preparación de impresiones envía las instrucciones a la impresora mediante una conexión inalámbrica o por cable.

El proceso de trabajo para preparar la impresora varía en función del sistema. La mayor parte de los sistemas tradicionales de impresión por SLS requieren una formación, herramientas y esfuerzo físico considerables para su preparación y mantenimiento. 

Las impresoras de la serie Fuse rediseñan el proceso de trabajo del SLS para que sea más sencillo y eficiente, con componentes modulares que permiten una impresión sin interrupciones y un control completo del polvo.

Una vez se han completado todas las comprobaciones previas a la impresión, la máquina está lista para imprimir. Las impresiones 3D por SLS pueden tardar en realizarse desde unas horas hasta varios días, según el tamaño, la complejidad y la densidad de las piezas. Gracias a su láser de alta potencia, incluso las impresiones con un volumen de impresión totalmente lleno en la Fuse 1+ 30W suelen estar acabadas en menos de 24 horas. 

Una vez que se ha completado una impresión, la cámara de impresión debe enfriarse ligeramente en el recinto de impresión antes de dar el siguiente paso. Después de eso, la cámara de impresión se puede retirar de la impresora y se puede introducir una nueva para realizar otra impresión.

La cámara de impresión con las piezas impresas debe enfriarse incluso más antes del posacabado para asegurar unas propiedades mecánicas óptimas y evitar que se deformen las piezas. Esto puede ocupar hasta la mitad del tiempo de impresión.

El posacabado de las piezas de SLS requiere un tiempo y una mano de obra mínimos en comparación con otros procesos de impresión 3D. Modificar su escala y expandirlo resulta sencillo, y genera resultados uniformes en lotes de piezas gracias a la falta de estructuras de soporte.

Después de que la impresión se enfríe, las piezas acabadas se pueden retirar de la cámara de impresión y se pueden extraer del polvo no sinterizado. Las soluciones para llevar a cabo este proceso abarcan desde soluciones económicas de recuperación de polvo manual, como el Fuse Depowdering Kit, hasta estaciones de recuperación de polvo todo en uno como la Fuse Sift, que realiza la extracción de las piezas y del polvo no sinterizado, así como el almacenamiento, la dosificación y el mezclado del polvo.

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 renovar 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.

Después de extraer las piezas, el granallado es un paso crucial para desempolvar por completo las piezas impresas en 3D mediante SLS y obtener un acabado liso y libre de polvo. Esto quitará el polvo suelto y despejará la Surface Armor semisinterizada de tus piezas impresas.

Existen varias soluciones de granallado manuales y automatizadas en el mercado, disponibles a diversos precios. La Fuse Blast de Formlabs es la primera solución de granallado automatizada y económica que puede completar un ecosistema SLS de la serie Fuse o servir como una máquina de granallado independiente para otros tipos de impresoras 3D de fusión de lecho de polvo.

El granallado también puede reducir drásticamente la parte más lenta y exigente en cuanto a esfuerzo físico del proceso de trabajo para SLS. Añadir la Fuse Blast como un complemento para la Fuse Sift en el proceso de trabajo de posacabado puede reducir el tiempo de limpieza a solo 15 minutos en total; una reducción del 80 % del tiempo medio de trabajo manual.

Con la mejora del sistema de pulido opcional de la Fuse Blast, puedes pasar de solo limpiar a dar un acabado a la superficie con un sistema todo en uno. Después de pulirlas en la Fuse Blast, las piezas no solo están libres de polvo, sino que también son lisas, resistentes a rozaduras y están listas para aplicarles tintes, con un acabado semibrillante profesional que se puede obtener en solo 15 minutos.  Las perlas concentradas desgastan las rugosidades microscópicas que crean el tacto rugoso típico de las impresiones SLS, alisando su superficie y eliminando gran parte de su porosidad.

Los ingenieros y los fabricantes 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 sus materiales de uso final de eficacia probada.

La mayoría de los 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.

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 el prototipado, 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. Las impresoras 3D SLS pueden producir geometrías complejas que son imposibles o prohibitivamente caras de fabricar mediante procesos tradicionales. El SLS también da a los diseñadores la capacidad de consolidar en una única pieza conjuntos complejos que normalmente requerirían varias piezas. 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 celosías complejas que serían imposibles de fabricar con los métodos tradicionales.

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

El nylon y el polipropileno para SLS son sustitutos excelentes de los plásticos moldeados por inyección comunes. Ofrecen fijaciones mediante presilla y articulaciones mecánicas de mejor calidad en comparación con cualquier otra tecnología de fabricación aditiva. Son ideales 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.

El poliuretano termoplástico para SLS es una buena alternativa a los procesos de trabajo tradicionales para moldeo y una solución superior a otros métodos de impresión 3D para producir piezas flexibles resistentes y duraderas. Es ideal para el prototipado rápido, los accesorios para la fabricación bajo demanda y piezas de uso final personalizadas o producidas en volúmenes bajos.

Por lo general, para calcular el coste por pieza es necesario tener en cuenta el coste de propiedad del equipo disponible, los materiales y 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 de propiedad del equipo 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 nylon es un termoplástico común producido en grandes cantidades para usos industriales, lo que hace que sea una de las materias primas menos costosas para la fabricación aditiva. Dado que la impresión 3D SLS no requiere estructuras de soporte y permite imprimir con polvo reciclado, el proceso genera un desperdicio mínimo.

• Mano de obra: el talón de Aquiles de muchas de las soluciones de impresión 3D es el trabajo manual. 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 y resulta fácil ampliar el proceso.

Una impresora 3D SLS supone una inversión inicial considerable, pero con frecuencia esa inversión se recupera incluso más rápido que con máquinas más pequeñas. El SLS de sobremesa reduce este gasto, así como el coste por pieza de la mayoría de las aplicaciones.

Externalizar la producción a proveedores de servicios es recomendable cuando tu negocio requiere imprimir en 3D solo ocasionalmente, pero también implica costes más altos y plazos de producción largos. Una de las mayores ventajas de la impresión 3D es su velocidad, en comparación con los métodos de fabricación tradicionales. Esa velocidad disminuye rápidamente cuando una pieza externalizada tarda una o varias semanas en llegar. 

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, por lo 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 su bajo coste por pieza y el uso de materiales duraderos, la impresión 3D 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).

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

Con la Fuse 1+ 30W, Formlabs lleva la potencia industrial del sinterizado selectivo por láser al banco de trabajo, ofreciendo materiales de alto rendimiento con el coste por pieza más bajo, ocupando un espacio reducido y empleando un proceso de trabajo sencillo.

La Fuse 1+ 30W ha llegado para abrir una nueva etapa de producción y prototipado de manera independiente.