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Guida introduttiva alla stampa 3D tramite sinterizzazione laser selettiva

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è una tecnologia di produzione additiva (AM) che usa un laser per sinterizzare materiale plastico in polvere e trasformarlo in una struttura solida basata su un modello 3D. Per decenni, la sinterizzazione laser selettiva è stata utilizzata spesso dagli ingegneri nello sviluppo dei prodotti. Il costo per parte ridotto, l'alta produttività e i materiali testati la rendono ideale per una serie di applicazioni, dalla prototipazione funzionale fino alla produzione ponte o in piccoli lotti.

Le recenti innovazioni in termini di meccanica, materiali e software hanno reso la sinterizzazione laser selettiva accessibile a una vasta gamma di attività, consentendo a sempre più aziende di utilizzare degli strumenti che in precedenza erano alla portata solo di pochi settori altamente tecnologici.

In questa guida completa illustreremo il processo di sinterizzazione laser selettiva, i diversi sistemi e materiali disponibili sul mercato e quando questa tecnologia può risultare più adatta rispetto ad altri metodi di produzione additiva o tradizionale.

Indice:

  1. Le origini della sinterizzazione laser selettiva
  2. Processo di sinterizzazione laser selettiva
  3. Tipi di sistemi di sinterizzazione laser selettiva
  4. Nylon: un materiale per la prototipazione e la produzione
  5. Perché scegliere la sinterizzazione laser selettiva?
  6. Presentazione della Fuse 1

Le origini della sinterizzazione laser selettiva

Sviluppata a metà degli anni '80 dal Dott. Carl Deckard e il Dott. Joe Beaman della University of Texas ad Austin, la sinterizzazione laser selettiva (SLS) fu una delle prime tecniche di produzione additiva. Il metodo sviluppato dai professori è stato adattato per funzionare con una gamma di materiali, tra cui plastiche, metalli, vetro, ceramiche e diversi composti in polvere. Oggigiorno, queste tecnologie vengono denominate "fusione a letto di polvere": processi di produzione additiva in cui l'energia termica fonde delle zone selezionate di un letto di polvere.

I sistemi di fusione a letto di polvere al momento più diffusi sono uno basato su plastiche, comunemente chiamato sinterizzazione laser selettiva, e l'altro basato su metalli, conosciuto come sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) e fusione laser selettiva (SLM). Fino a poco tempo fa, entrambi erano troppo 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.

Le recenti innovazioni, però, permetteranno alla sinterizzazione laser selettiva basata su plastiche una più larga diffusione 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).

Processo di sinterizzazione laser selettiva

Le stampanti 3D SLS utilizzano un laser ad alta potenza per fondere piccole particelle di polvere di polimeri.

Il processo di stampa

  1. Uno strato sottile di polvere viene disposto sopra una piattaforma all'interno della camera di stampa.
  2. La stampante preriscalda la polvere a una temperatura appena 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.
  3. Il laser scansiona una sezione incrociata del modello 3D, riscaldando la polvere appena al di sotto o giusto al punto di fusione del materiale. Ciò consente di fondere assieme le particelle in maniera meccanica, così da creare una parte solida. La polvere non fusa sostiene la parte durante il processo di stampa ed elimina la necessità di strutture di supporto dedicate.
  4. La piattaforma si abbassa di un livello all'interno della camera di stampa, di solito intorno ai 50-200 micron, e uno strumento apposito cosparge un nuovo strato di polvere. Il laser scansiona quindi la successiva sezione incrociata della stampa.
  5. Questo processo si ripete per ciascun livello, fino a completare la stampa; dopodiché, le parti terminate vengono lasciate raffreddare gradualmente all'interno della stampante.
  6. Una volta che le parti sono fredde, l'operatore rimuove la camera di stampa dalla stampante e la posiziona in una postazione di pulizia, dove separa le parti stampate e rimuove la polvere in eccesso.
La sinterizzazione laser selettiva usa un laser per sinterizzare materiale plastico in polvere e trasformarlo in una struttura solida basata su un modello 3D.

La sinterizzazione laser selettiva usa un laser per sinterizzare materiale plastico in polvere e trasformarlo in una struttura solida basata su un modello 3D.


Recupero delle parti e post-elaborazione

La post-elaborazione successiva alla sinterizzazione laser selettiva richiede ben poco tempo e lavoro, e consente di ottenere risultati uniformi per lotti di più parti.

Dopo che un lavoro di stampa è stato completato, le parti devono essere rimosse dalla camera di stampa, separate e ripulite per eliminare la polvere in eccesso. Di solito, questo è un processo manuale, svolto presso una postazione di pulizia utilizzando aria compressa o una granigliatrice.

Appena uscite dalla stampante, le parti realizzate tramite sinterizzazione laser selettiva presentano una finitura superficiale leggermente ruvida, simile alla carta abrasiva a grana media. Il nylon offre svariate possibilità di post-elaborazione, come arrotolamento, tintura, verniciatura, smaltatura in forno, rivestimento metallico, incollaggio, verniciatura a polvere e floccatura.

Recupero del materiale

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

Tipi di sistemi di sinterizzazione laser selettiva

Tutti i sistemi di sinterizzazione laser selettiva ruotano attorno al processo descritto nella sezione precedente. Quello che li differenzia sono il tipo di laser e le dimensioni del volume di stampa. I sistemi usano diverse soluzioni per il controllo della temperatura, la distribuzione della polvere e il deposito degli strati.

La sinterizzazione laser selettiva richiede un alto livello di precisione e uno stretto controllo. 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 deposito prima di essere rimosse, in modo da ridurre al minimo il rischio di deformazioni, sollecitazioni e distorsioni dovute al calore.

Sinterizzazione laser selettiva industriale

La sinterizzazione laser selettiva industriale viene utilizzata per numerose applicazioni, dalle parti di ricambio per il più grande produttore di camion del mondo fino a capi di abbigliamento con stampe personalizzate. I sistemi più grandi possono stampare parti lunghe un metro.

I sistemi industriali di sinterizzazione laser selettiva usano uno o più laser ad alta potenza ad anidride carbonica. Maggiore è il volume di stampa, maggiore è la complessità del sistema. La sinterizzazione laser selettiva industriale richiede un ambiente inerte, azoto o altri gas, per prevenire l'ossidazione e il degrado della polvere. Perciò, la sinterizzazione laser selettiva industriale richiede attrezzature specializzate per il trattamento dell'aria. Inoltre, questi sistemi richiedono potenza industriale; anche le macchine più piccole hanno bisogno di almeno 10 m² di spazio per poter essere installate.

Sinterizzazione laser selettiva da banco

I sistemi di sinterizzazione laser selettiva da banco (come la Fuse 1 di Formlabs) consentono di ottenere una produttività comparabile con i sistemi industriali, in un formato più compatto e facile da gestire.

La sinterizzazione laser selettiva da banco non richiede infrastrutture specializzate e può essere integrata nello spazio di lavoro con facilità.

La sinterizzazione laser selettiva da banco non richiede infrastrutture specializzate e può essere integrata nello spazio di lavoro con facilità.

I sistemi da banco utilizzano un diodo laser o un laser a fibra, invece dei laser a CO2 impiegati dai sistemi industriali, per fornire un raggio di qualità a un prezzo inferiore.

Il volume di stampa ridotto delle macchine da banco richiede minore calore. A mano a mano che la polvere viene esposta a temperature elevate per lassi di tempo più brevi, non sono necessari gas inerti e strumenti di manipolazione dell'aria specializzati. Il consumo complessivamente ridotto di energia consente ai sistemi da banco di funzionare con corrente alternata standard, senza alcuna infrastruttura specializzata.

In generale, i sistemi da banco offrono un volume di stampa leggermente ridotto e una minore velocità rispetto ai sistemi industriali di sinterizzazione laser selettiva più compatti, ma il loro ingombro e costo sono inferiori.

Sistemi di sinterizzazione laser selettiva a confronto

 

Sinterizzazione laser selettiva da bancoSinterizzazione laser selettiva industriale
PrezzoA partire da 10 000 $.Da 200 000 $ fino a più di 100 000 000 $
Volume di stampaFino a 165 x 165 x 320 mmFino a 550 x 550 x 750 mm
VantaggiEconomico
Flusso di lavoro semplificato
Manutenzione ridotta
Ingombro minimo
Grande volume di stampa
Alto tasso di produttività
Vasta scelta di materiali
SvantaggiVolume di stampa medioMacchinario costoso
Grande ingombro
Grande necessità di manutenzione
Richiede un operatore

Il confronto si basa sul sistema a sinterizzazione laser selettiva da banco Fuse 1 di Formlabs e i sistemi SLS industriali di EOS e 3D Systems.

Nylon: un materiale per la prototipazione e la produzione

Il materiale più utilizzato per la sinterizzazione laser selettiva è il nylon, una termoplastica ingegneristica molto diffusa e apprezzata per la sua leggerezza, resistenza e flessibilità. Il nylon è stabile se sottoposto a impatti, sostanze chimiche, calore, raggi UV, acqua e sporco.

Il nylon è ideale per una gamma di applicazioni funzionali, dai prodotti ingegneristici per il largo consumo fino al settore della medicina.

Il nylon è ideale per una gamma di applicazioni funzionali, dai prodotti ingegneristici per il largo consumo fino al settore della medicina.

Il nylon è un polimero termoplastico sintetico che appartiene alla famiglia dei poliammidi. Le due versioni solitamente utilizzate per la sinterizzazione laser selettiva sono Nylon 11 e 12, noti anche come PA11 e PA12.

PA è l'abbreviazione di "poliammide" e i numeri rappresentano la quantità di atomi di carbonio presenti nel materiale. Le proprietà di entrambi i materiali sono simili: PA11 è leggermente più flessibile e resistente agli urti, mentre PA12 è più duraturo e resistente alle abrasioni, nonché biocompatibile.

Proprietà del nylon SLS

Nylon PA12Nylon PA11
Carico di rottura50 MPa48 MPa
Modulo di Young1850 MPa1560 MPa
Allungamento a rottura12%35%
Temperatura di distorsione termica154 °C a 0,45 MPa130 °C a 0,45 MPa

 

Il nylon 11 e 12 sono entrambi polveri monocomponente, ma le stampanti 3D a sinterizzazione laser selettiva possono utilizzare anche polveri bicomponente, come le polveri rivestite o miscele di polveri. I compositi di nylon con alluminuro, carbonio o vetro vengono sviluppati per ottimizzare le parti e ottenere maggior forza, rigidità o flessibilità. Con queste polveri bicomponente, viene sinterizzato solo il componente con il punto di transizione vetrosa inferiore, legando entrambi i componenti.

Perché scegliere la sinterizzazione laser selettiva?

Gli ingegneri scelgono la sinterizzazione laser selettiva perché offre libertà di progettazione, alti livelli di produttività e rendimento, costo per unità inferiore e comprovata efficacia.

Libertà di progettazione

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

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

Design di tutore per mano con un motivo complesso per ridurne il peso.

Design di tutore per mano con un motivo complesso per ridurne il peso.

Gli ingegneri di solito progettano le parti pensando alle capacità del processo di produzione finale, noto anche come progettazione per la fabbricazione (ing. "design for manufacturing", 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 fabbricazione sempre più accessibile per un numero crescente di applicazioni per uso finale, può potenzialmente offrire nuove possibilità di progettazione e ingegneria. La sinterizzazione laser selettiva consente di stampare in una sola volta progetti complessi che normalmente richiederebbe più parti. Ciò contribuisce a evitare la presenza di giunture deboli e riduce i tempi di assemblaggio.

Grazie alla sinterizzazione laser selettiva, il design generativo potrà sfruttare tutto il suo potenziale, consentendo di realizzare progetti leggeri, che utilizzano strutture reticolari complesse e impossibili da produrre con i metodi tradizionali.

Alti livelli di produttività e rendimento

La sinterizzazione laser selettiva è la tecnologia di produzione additiva più rapida per creare prototipi funzionali duraturi e parti per uso 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 dei livelli utilizzati in altri processi come la modellazione a deposizione fusa industriale.

Più parti possono essere disposte assieme per massimizzare lo spazio di stampa in ciascuna macchina. 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.

La sinterizzazione laser selettiva consente agli operatori di riempire l'area di stampa con il maggior numero di parti possibile e di stamparle senza supporti, così da risparmiare tempo durante la post-elaborazione.

La sinterizzazione laser selettiva consente agli operatori di riempire l'area di stampa con il maggior numero di parti possibile e di stamparle senza supporti, così da risparmiare tempo durante la post-elaborazione.

Le parti possono essere aggiunte alla stampa quando il processo è già stato avviato. In questo modo avrai la possibilità di effettuare cambi dell'ultimo minuto al progetto o di aggiungere iterazioni consecutive di un prototipo.

Materiali testati e duraturi

L'elemento chiave della funzionalità e versatilità della stampa 3D a sinterizzazione laser selettiva è il materiale utilizzato. Il nylon e i suoi composti 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 pezzi creati con metodi di produzione tradizionali come lo stampaggio a iniezione.

Assemblaggio di un trapano stampato in nylon PA12. Le parti in nylon possono essere facilmente sottoposte a post-elaborazione per ottenere finiture superficiali lisce e professionali.

Assemblaggio di un trapano stampato in nylon PA12. Le parti in nylon possono essere facilmente sottoposte a post-elaborazione per ottenere finiture superficiali lisce e professionali.

Il nylon per la sinterizzazione laser selettiva è un ottimo sostituto delle comuni plastiche utilizzate nello stampaggio a iniezione. Offre cerniere integrate, accoppiamenti a scatto e altre giunture meccaniche di qualità superiore rispetto a qualsiasi altra tecnologia di produzione additiva. È ideale 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.

Costo per unità competitivo

Al momento di calcolare il costo per unità solitamente bisogna includere le spese per proprietà dell'attrezzatura, materiali e manodopera.

  • Proprietà dell'attrezzatura: maggiore è il numero di parti che una macchina può produrre durante la sua vita utile, minori sono i costi attribuibili a ciascuna parte. Di conseguenza, un livello superiore di produttività riduce il costo di proprietà dell'attrezzatura sui singoli pezzi. Grazie alla rapidità di scansione del laser, la possibilità di inserire più parti nell'area di lavorazione per massimizzare la capacità di stampa e la post-elaborazione semplice, la sinterizzazione laser selettiva offre i livelli di produttività e rendimento più alti di tutte le tecniche di produzione additiva in plastica.

  • Materiale: la maggior parte delle tecnologie di stampa 3D utilizza materiali proprietari, 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. Inoltre, dato che non sono necessarie strutture di supporto e la polvere in eccesso può essere riutilizzata, la sinterizzazione laser selettiva produce una quantità minima di scarti.

  • Manodopera: il tallone di Achille di molte soluzioni di stampa 3D è la manodopera. Diversi processi hanno flussi di lavoro complessi e difficili da automatizzare, che quindi influiscono in maniera decisiva sul costo per unità. Il workflow di post-elaborazione semplice della sinterizzazione laser selettiva richiede manodopera limitata.

Cicli di sviluppo dei prodotti ridotti

La sinterizzazione laser selettiva consente agli ingegneri di realizzare prototipi delle parti nelle fasi iniziali del ciclo di progettazione e poi, senza dovere cambiare macchina e materiali, produrre parti per uso finale. La sinterizzazione laser selettiva 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 resistenti materiali versatili, la sinterizzazione laser selettiva consente di produrre parti personalizzate complesse o una serie di piccoli componenti per prodotti finali a costo limitato. Spesso è un'alternativa economica allo stampaggio a iniezione per la fabbricazione ponte o di un numero limitato di parti.

Presentazione della Fuse 1

Finora, le stampanti 3D a sinterizzazione laser selettiva avevano un prezzo proibitivo per la maggior parte delle aziende, dato che una singola macchina costava più di 200 000 $.

Presentiamo la Fuse 1, il primo sistema di sinterizzazione laser selettiva da banco di Formlabs.

Con la Fuse 1, Formlabs offre la potenza industriale della sinterizzazione laser selettiva (SLS) in formato da banco, per rendere i mezzi di produzione accessibili a un numero maggiori di aziende.

Scopri la stampante 3D SLS da banco Fuse 1