Guida alla stampa 3D tramite sinterizzazione laser selettiva (SLS)

I team di ingegneria e produzione in diversi settori si affidano alla stampa 3D tramite sinterizzazione laser selettiva (SLS) perché permette di realizzare parti robuste e funzionali.

In questa guida completa illustreremo il processo di sinterizzazione laser selettiva, i diversi sistemi e materiali disponibili sul mercato, il workflow per l'utilizzo delle stampanti 3D SLS, le diverse applicazioni di questa tecnologia e i casi in cui può risultare più adatta rispetto ad altri metodi di produzione additiva o tradizionale.

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è una tecnologia di produzione additiva che usa un laser ad alta potenza per sinterizzare piccole particelle di polvere di polimero e trasformarle in una struttura solida basata su un modello 3D. 

Da alcuni decenni, la stampa 3D SLS è una scelta diffusa per i team di ingegneria e produzione durante la fase di sviluppo dei prodotti. Il costo per unità ridotto, l'elevata produttività e i materiali testati la rendono ideale per una serie di applicazioni, dalla prototipazione rapida fino alla produzione ponte, personalizzata o in piccoli lotti.

Le recenti innovazioni in termini di meccanica, materiali e software hanno reso la stampa SLS accessibile a un'ampia gamma di attività, consentendo a sempre più aziende di utilizzare strumenti che in precedenza erano alla portata solo di pochi settori altamente tecnologici.

Presentazione della serie Fuse di Formlabs, che rende la stampa 3D SLS ad alte prestazioni finalmente accessibile a chiunque.

1. Stampa: un sottile strato di polvere viene depositato sulla piattaforma all'interno della camera di stampa. La stampante riscalda preventivamente la polvere fino al raggiungimento di una temperatura di poco inferiore al punto di fusione del materiale grezzo. In questo modo, il laser può facilmente aumentare la temperatura di aree specifiche del letto di polvere, mentre traccia il modello per realizzare una parte solida. Il laser scansiona una sezione trasversale del modello 3D, riscaldando la polvere appena al di sotto o esattamente al punto di fusione del materiale. Ciò consente di fondere le particelle tra loro in maniera meccanica, così da creare parti solide. La polvere non fusa sostiene le parti durante la stampa ed elimina la necessità di strutture di supporto dedicate. La piattaforma si abbassa leggermente all'interno della camera di stampa, di solito intorno ai 50-200 micron, e il processo si ripete per ogni strato, fino al completamento delle parti.

2. Raffreddamento: al completamento della stampa, la camera di stampa deve raffreddarsi leggermente all'interno dell'alloggiamento di stampa e successivamente al di fuori della stampante per garantire proprietà meccaniche ottimali ed evitare la deformazione delle parti.

3. Post-elaborazione: le parti completate devono essere rimosse dalla camera di stampa, separate e pulite dalla polvere in eccesso. La polvere può essere riciclata e le parti stampate possono essere sottoposte a ulteriore post-elaborazione mediante sabbiatura o lucidatura.

Per il workflow dettagliato, consulta la sezione "Workflow per la stampa 3D SLS".

Poiché la polvere non fusa sostiene le parti durante il processo di stampa, non sono necessarie ulteriori strutture di supporto. Ciò rende la SLS ideale per geometrie complesse che includono dettagli interni, sottosquadri, pareti sottili e dettagli in negativo. 

Le parti prodotte tramite stampa 3D SLS hanno caratteristiche meccaniche eccellenti, con una resistenza simile a quella delle parti create con stampaggio a iniezione.

Sviluppata a metà degli anni '80 dal dott. Carl Deckard e dal dott. Joe Beaman della University of Texas ad Austin, Stati Uniti, la sinterizzazione laser selettiva fu una delle prime tecniche di produzione additiva. Questo metodo è stato poi adattato a diversi materiali, tra cui plastiche, metalli, vetro, ceramica e diversi composti in polvere. Oggi queste tecnologie vengono denominate "fusione a letto di polvere", ovvero processi di produzione additiva in cui l'energia termica fonde delle zone selezionate di un letto di polvere.

Attualmente, i sistemi di stampa 3D a fusione a letto di polvere più diffusi sono due: uno per le materie plastiche, comunemente chiamato sinterizzazione laser selettiva (SLS), e uno per i metalli, conosciuto come sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) o fusione laser selettiva (SLM). Fino a poco tempo fa, entrambi i sistemi erano estremamente costosi e complessi, per cui il loro utilizzo era limitato a piccole quantità di parti personalizzate o di alto valore, come i componenti aerospaziali o i dispositivi medici.

Tuttavia, alcune innovazioni recenti stanno ampliando la diffusione della sinterizzazione laser selettiva per le materie plastiche, grazie a sistemi compatti e accessibili, in maniera simile a come è successo con altre tecnologie di stampa 3D quali la stereolitografia (SLA) e la modellazione a deposizione fusa (FDM).

Tutte le stampanti 3D SLS ruotano attorno al processo descritto nella sezione precedente. Quello che le differenzia sono il tipo di laser, le dimensioni del volume di stampa e la complessità del sistema. Apparecchi diversi usano diverse soluzioni per il controllo della temperatura, l'erogazione della polvere e il deposito degli strati.

La sinterizzazione laser selettiva richiede un alto livello di precisione e uno stretto controllo durante tutto il processo di stampa. La temperatura della polvere e delle parti (incomplete) deve essere mantenuta costante all'interno di un intervallo di 2 °C durante le tre fasi di preriscaldamento, sinterizzazione e conservazione prima della rimozione, in modo da ridurre al minimo il rischio di deformazioni, sollecitazioni e distorsioni dovute al calore.

Per decenni, la sinterizzazione laser selettiva è stata una delle tecnologie di stampa 3D più usate a livello professionale, ma la sua complessità, i requisiti necessari e il prezzo elevato ne hanno limitato l'utilizzo ai fornitori di servizi di produzione e alle grandi aziende. 

Questi apparecchi richiedono appositi impianti HVAC, alimentazione di livello industriale e molto spazio: anche quelle più piccole hanno bisogno di almeno 10 m² per poter essere installate. Inoltre, installazione in loco, configurazione e formazione richiedono diversi giorni. Questi sistemi presentano un workflow complesso e una curva di apprendimento lenta, pertanto richiedono competenze avanzate da parte del personale tecnico interno sia per il funzionamento che per la manutenzione. 

Con un prezzo base di circa 200 000 €, che aumenta di molto per soluzioni complete, la tecnologia SLS tradizionale è stata a lungo inaccessibile per molte aziende.

Come per la FDM, la SLA e altre tecnologie di stampa 3D, negli ultimi tempi hanno fatto il loro ingresso nel mercato sistemi SLS compatti a basso costo. Specie all'inizio, queste soluzioni presentavano però degli svantaggi, come una minore qualità delle parti e workflow manuali complicati, dovuti alla mancanza di soluzioni di post-elaborazione. Di conseguenza, l'uso di questi apparecchi in ambito produttivo e industriale era limitato.

La Fuse 1 di Formlabs ha colmato questo divario e creato una categoria a sé stante. Si tratta della prima stampante 3D SLS industriale da banco a offrire alta qualità, ingombro ridotto e un workflow completo e semplificato a una frazione del prezzo dei sistemi SLS tradizionali. Oggi, la Fuse 1+ 30W segna l'inizio di una nuova generazione e aggiunge alla categoria un laser più potente, funzionalità di gestione della polvere migliorate e supporto di nuovi materiali per garantire parti di qualità industriale e un elevato rendimento.

Le stampanti 3D SLS della serie Fuse dispongono di un singolo laser e hanno una camera di stampa più piccola che richiede meno calore. Grazie al consumo energetico ridotto, possono funzionare con la normale alimentazione a corrente alternata, senza bisogno di infrastrutture specializzate. La stampante Fuse 1+ 30W offre l'opzione di creare un ambiente di gas inerte tramite il collegamento di un generatore di azoto, consentendo di preservare la qualità della polvere non sinterizzata e diminuire il tasso di rigenerazione (le stampe successive usano più polvere riciclata che polvere nuova), ridurre al minimo gli sprechi e migliorare la finitura superficiale delle parti sinterizzate. 

Le stampanti della serie Fuse sono inoltre dotate di una soluzione in corso di brevetto chiamata Surface Armor, un guscio semi-sinterizzato che mantiene l'area attorno alle parti a una temperatura uniforme durante la stampa, garantendo un'eccellente finitura superficiale, proprietà meccaniche uniformi, un'elevata affidabilità e un migliore tasso di rigenerazione.

Per offrire un ecosistema compatto e autonomo che permette la gestione della polvere in modo completo, le stampanti della serie Fuse includono anche la Fuse Sift, che combina in un solo dispositivo estrazione delle parti, nonché recupero, conservazione e miscelazione della polvere, e la Fuse Blast, una soluzione completamente automatizzata per la pulizia e la lucidatura delle parti.

In generale, le stampanti 3D SLS industriali da banco della serie Fuse offrono un volume di stampa leggermente ridotto rispetto ai sistemi SLS tradizionali primo prezzo, ma vantano un ingombro e un costo inferiori e un workflow più semplice.

Il confronto si basa sui sistemi SLS industriali da banco della serie Fuse di Formlabs e sui sistemi SLS industriali tradizionali di EOS e 3D Systems.

La stampa 3D SLS accelera l'innovazione e sostiene le aziende in svariati settori, tra cui ingegneria, produzione e medicina. 

Usa un software CAD o scansiona in 3D i dati per progettare il tuo modello ed esportalo in un file 3D stampabile (formato OBJ, STL o 3MF). Ciascuna stampante SLS include un software con impostazioni di stampa ad alta precisione che ti aiutano a orientare e disporre i modelli, stimare i tempi di stampa e suddividere il modello digitale in strati ai fini della stampa. Quando la configurazione è stata completata, il software di preparazione della stampa invia le istruzioni alla stampante tramite una connessione wireless o un cavo.

Il workflow per preparare la stampante varia a seconda dei sistemi. La maggior parte dei sistemi di stampa SLS tradizionali richiede formazione intensiva, strumenti e sforzo fisico per la preparazione e la manutenzione. 

Le stampanti della serie Fuse reimmaginano il workflow SLS in un'ottica di semplicità ed efficienza, con componenti modulari per permettere la stampa continua e la completa gestione della polvere.

Una volta che tutte le verifiche sono state completate, l'apparecchio è pronto per la stampa. Le stampe 3D SLS possono richiedere da poche ore a diversi giorni, a seconda delle dimensioni e della complessità delle parti, oltre che della loro densità. Grazie a un laser ad alta potenza, anche le stampe a pieno volume realizzate sulla Fuse 1+ 30W vengono generalmente portate a termine entro 24 ore. 

Al completamento della stampa, è necessario lasciar raffreddare leggermente la camera di stampa all'interno dell'alloggiamento di stampa prima di passare alla fase successiva. A questo punto, è possibile rimuovere la camera di stampa e inserirne una nuova per eseguire un'altra stampa.

La camera di stampa contenente le parti stampate deve raffreddarsi ulteriormente prima di procedere alla post-elaborazione, così da garantire proprietà meccaniche ottimali ed evitare la deformazione delle parti. Potrebbe essere necessario attendere fino alla metà del tempo di stampa.

La post-elaborazione delle parti SLS richiede poco tempo e poca manodopera rispetto ad altri processi di stampa 3D. È facilmente scalabile e offre risultati uniformi per lotti di parti grazie all'assenza di strutture di supporto.

Una volta che la camera di stampa si è raffreddata, le parti completate possono essere rimosse dalla camera ed estratte dalla polvere non sinterizzata. Le soluzioni per il recupero della polvere vanno da quelle manuali, come il Fuse Depowdering Kit, a quelle integrate, come la Fuse Sift, che gestisce l'estrazione delle parti, nonché la conservazione, il dosaggio e la miscelazione della polvere non sinterizzata.

La polvere in eccesso rimanente dopo il recupero delle parti viene filtrata per rimuovere le particelle più grandi e può essere riciclata. La polvere non fusa si degrada leggermente con l'esposizione ad alte temperature, perciò deve essere miscelata con materiale nuovo prima di essere utilizzata in lavori di stampa successivi. La possibilità di riutilizzare il materiale per i lavori di stampa successivi rende la sinterizzazione laser selettiva uno dei metodi di produzione con minor spreco.

Dopo l'estrazione delle stampe avviene la sabbiatura, che è un passaggio fondamentale in cui viene completamente rimossa la polvere dalle parti realizzate con la stampa 3D SLS per ottenere una finitura superficiale pulita e liscia. Questa operazione rimuoverà la polvere residua e la Surface Armor semi-sinterizzata dalle parti stampate.

Sul mercato sono disponibili diverse soluzioni di sabbiatura, sia manuali che automatizzate, a varie fasce di prezzo. La Fuse Blast di Formlabs è la prima soluzione di sabbiatura automatizzata a un prezzo accessibile che può essere utilizzata per completare un ecosistema SLS serie Fuse o come sabbiatrice compatibile con altri tipi di stampanti 3D a fusione a letto di polvere.

La sabbiatura consente inoltre di ridurre drasticamente il passaggio che richiede più tempo e sforzo fisico del workflow SLS. Aggiungendo la Fuse Blast alla Fuse Sift nel workflow di post-elaborazione, il tempo di pulizia può essere ridotto a soli 15 minuti, con una riduzione media del tempo di manodopera pari all'80%.

Grazie a una soluzione integrata che include il sistema di lucidatura opzionale della Fuse Blast, puoi aggiungere alla funzione di pulizia anche quella di finitura superficiale. Dopo soli 15 minuti di lucidatura nella Fuse Blast, le parti non solo risultano pulite, ma anche lisce, resistenti ai graffi, pronte per la tintura e con un aspetto semilucido professionale.  Le particelle concentrate di materiale abrasivo sabbiano efficacemente le sporgenze microscopiche che conferiscono alle parti SLS il loro tipico aspetto granuloso, levigando la superficie e rimuovendo gran parte della porosità superficiale.

I team di ingegneria e produzione scelgono la sinterizzazione laser selettiva perché offre libertà di design, alti livelli di produttività e rendimento, costo per unità inferiore e materiali testati per utilizzo finale.

La maggior parte dei processi di produzione additiva, come la stereolitografia (SLA) e la modellazione a deposizione fusa (FDM), richiedono strutture di supporto dedicate per realizzare design con elementi sporgenti.

La sinterizzazione laser selettiva non richiede strutture di supporto, perché durante la stampa le parti sono circondate da polvere non sinterizzata. Grazie alla stampa SLS è possibile realizzare geometrie complesse impossibili, ad esempio parti a incastro o mobili, parti con componenti o scanalature interne e altri design estremamente complessi.

Solitamente, le parti ingegneristiche vengono progettate pensando alle possibilità tipiche del processo di fabbricazione finale. Questo principio è anche noto come design per la fabbricazione (DFM). Se la produzione additiva viene utilizzata solo per la prototipazione, è limitata a parti e design che gli strumenti di fabbricazione convenzionali potranno riprodurre durante le fasi di produzione.

Dato che la sinterizzazione laser selettiva sta diventando un metodo di produzione rapido e sempre più accessibile per un numero crescente di applicazioni per utilizzo finale, può potenzialmente offrire nuove possibilità di progettazione e ingegneria. Le stampanti 3D SLS permettono di produrre geometrie complesse che sarebbero eccessivamente costose o addirittura impossibili da produrre con i processi tradizionali. Permettono inoltre ai team di design di compattare in un'unica parte assemblaggi complessi che normalmente richiederebbero diverse parti. Ciò contribuisce a evitare la presenza di giunture deboli e riduce i tempi di assemblaggio.

Grazie alla sinterizzazione laser selettiva, sarà possibile sfruttare tutto il potenziale del design generativo e realizzare design leggeri, che utilizzano strutture reticolari complesse e impossibili da produrre con i metodi tradizionali.

La stampa SLS è la tecnologia di produzione additiva più rapida per creare prototipi funzionali duraturi e parti per utilizzo finale. I laser che fondono la polvere dispongono di una velocità di scansione decisamente superiore e sono molto più precisi rispetto ai metodi di deposito degli strati utilizzati in altri processi come la modellazione a deposizione fusa industriale.

È possibile disporre un gran numero di parti in modo tale da massimizzare il volume di stampa in ciascun apparecchio. Gli operatori usano il software per ottimizzare ciascuna stampa, in modo da ottenere la migliore produttività possibile e lasciare il minimo spazio necessario tra le parti.

L'elemento chiave della funzionalità e versatilità della stampa 3D SLS sono i materiali utilizzati. Il nylon, i suoi composti e il TPU sono termoplastiche testate di alta qualità. Le parti in nylon realizzate tramite sinterizzazione laser hanno quasi il 100% di densità, con proprietà meccaniche paragonabili a quelle di parti create con metodi di produzione tradizionali come lo stampaggio a iniezione.

Il nylon e il polipropilene per la sinterizzazione laser selettiva sono ottimi sostituti delle comuni plastiche utilizzate nello stampaggio a iniezione. Permettono di realizzare accoppiamenti a scatto e giunture meccaniche di qualità superiore rispetto a qualsiasi altra tecnologia di produzione additiva. Inoltre, sono ideali per le applicazioni funzionali che richiedono parti in plastica più durature rispetto a quelle prodotte con altri metodi di produzione additiva, che con il tempo si degradano e diventano fragili.

La combinazione di TPU e stampa SLS è un'ottima alternativa ai workflow di stampaggio tradizionali e ad altri metodi di stampa 3D per la produzione di parti flessibili, tenaci e a lunga durata. È l'ideale per prototipazione rapida, supporti di produzione su richiesta e parti per utilizzo finale personalizzate o a volumi ridotti.

Quando si calcola il costo per unità, solitamente bisogna includere i costi di proprietà dell'attrezzatura, i materiali e la manodopera.

• Proprietà dell'attrezzatura: maggiore è il numero di parti che un apparecchio può produrre durante la sua vita utile, minori sono i costi attribuibili a ciascuna parte. Di conseguenza, una maggiore produttività riduce l'impatto dei costi di proprietà dell'attrezzatura sulle singole parti. Grazie alla rapidità di scansione del laser, alla possibilità di inserire più parti all'interno del volume per massimizzare la capacità di stampa e alla post-elaborazione semplice, la stampa 3D SLS offre i livelli di produttività e rendimento più alti di tutte le tecniche di produzione additiva con materie plastiche.

• Materiale:  la maggior parte delle tecnologie di stampa 3D utilizza materiali brevettati, ma il nylon è una termoplastica comune prodotta in grandi quantità per scopi industriali ed è perciò uno dei materiali grezzi più economici per la produzione additiva. Dato che la stampa 3D SLS non richiede strutture di supporto e permette di stampare con polvere riciclata, il processo produce una quantità minima di scarti.

• Manodopera: il tallone d'Achille di molte soluzioni di stampa 3D è la manodopera. Diversi processi hanno workflow complessi e difficili da automatizzare, che quindi influiscono in maniera decisiva sul costo per unità. Il workflow di post-elaborazione semplice della stampa SLS richiede manodopera limitata e il processo è semplice da adattare alle esigenze di produzione.

Una stampante 3D SLS comporta un investimento iniziale cospicuo, ma spesso permette di recuperarlo anche più in fretta di apparecchi più piccoli. La stampa SLS da banco riduce significativamente la barriera di ingresso nonché il costo per unità per la maggior parte delle applicazioni.

Esternalizzare la produzione a servizi esterni è consigliabile per le aziende che ricorrono alla stampa 3D solo occasionalmente, ma questa soluzione comporta anche costi superiori e tempi di consegna più lunghi. Uno dei maggiori vantaggi della stampa 3D è la sua velocità rispetto ai metodi di produzione tradizionali, soprattutto nei casi in cui la realizzazione di parti esternalizzate richiede una o più settimane. 

La sinterizzazione laser selettiva consente ai team ingegneristici di realizzare prototipi delle parti nelle fasi iniziali del ciclo di progettazione e poi, senza dovere cambiare apparecchio e materiali, produrre parti per utilizzo finale. La stampa 3D SLS non richiede una lavorazione lunga e costosa come i processi di fabbricazione tradizionali, perciò i prototipi delle parti e degli assemblaggi possono essere testati e modificati con facilità nel giro di pochi giorni. Questo riduce in maniera decisiva il tempo di sviluppo dei prodotti.

Grazie a costo per unità ridotto e materiali durevoli, la stampa 3D SLS consente di produrre parti personalizzate complesse o una serie di piccoli componenti per prodotti finali a costo limitato. Spesso la sinterizzazione laser è un'alternativa economica allo stampaggio a iniezione per la fabbricazione ponte o di un numero limitato di parti.

Finora, le stampanti 3D SLS industriali avevano un prezzo proibitivo per la maggior parte delle aziende, dato che un singolo apparecchio costava più di 200 000 €.

Con la Fuse 1+ 30W, Formlabs porta la potenza industriale della sinterizzazione laser selettiva in formato da banco, offrendo materiali dalle prestazioni elevate al costo per unità più basso, con un ingombro ridotto e un workflow più semplice.

Con la Fuse 1+ 30W si apre una nuova era per la produzione e la prototipazione indipendente.