Guía de impresión 3D mediante 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 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 la creación rápida de prototipos hasta la fabricación de pequeños lotes, 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 Fuse 1: la impresión 3D SLS de alto rendimiento, por fin 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 negativos de piezas. 

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, 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, 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 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.

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 ha limitado su uso a proveedores de servicios y a grandes empresas. 

Los sistemas industriales tradicionales de impresión 3D SLS utilizan uno o varios láseres de alta potencia. El proceso de impresión requiere el uso de un entorno inerte (de nitrógeno u otros gases) para evitar que el polvo se oxide o se degrade, por lo que es necesario disponer de equipo especializado de tratamiento del aire. 

Estas máquinas también requieren potencia industrial y una climatización especial, y hasta las máquinas industriales más pequeñas necesitan un espacio de instalación de al menos 10 m².

El precio del SLS industrial tradicional, que parte desde unos 100 000 € y crece considerablemente si se adquieren soluciones completas, ha hecho que este método de fabricación no sea accesible para muchos negocios.

Del mismo modo que con otras tecnologías de impresión 3D como el FDM o la SLA, han empezado a aparecer sistemas de SLS compactos y más económicos en el mercado, pero son soluciones con inconvenientes considerables. Entre ellos vemos una menor calidad de las piezas y complicados procesos de trabajo manuales originados por la falta de soluciones de posacabado, que hasta ahora han limitado su uso en entornos industriales y de fabricación.

La Fuse 1 de Formlabs pretende eliminar esta diferencia y crear su propia categoría con la primera impresora 3D SLS industrial de trabajo que ofrece 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.

La Fuse 1 usa un único láser y tiene una cámara de impresión pequeña que requiere un calentamiento menor. 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. Su menor consumo de energía hace que pueda funcionar con una alimentación de CA estándar sin requerir una infraestructura especializada.

La Fuse 1 incluye 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 lo que se asegura un acabado de la superficie excelente, propiedades mecánicas uniformes, una gran fiabilidad e índices de renovación elevados.

Para ofrecer un ecosistema compacto y contenido y un control total del polvo, la Fuse 1 viene acompañada 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. 

En general, las impresoras 3D SLS industriales de trabajo ofrecen 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.

La impresión 3D por SLS acelera la innovación e impulsa a los negocios en muchas industrias, incluyendo la ingeniería, la fabricación y el sector sanitario.  

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 u OBJ). Todas las impresoras SLS incluyen software para especificar los ajustes de impresión, 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. 

La Fuse 1 rediseña 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.

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 debe enfriarse 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.

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.

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.

Una tendencia habitual en el sector del SLS consiste en ofrecer dispositivos distintos para la recuperación, el almacenaje y la mezcla del polvo. En el proceso de trabajo de la Fuse 1, la gestión de la extracción de las piezas y del polvo no sinterizado, además del almacenaje, la dosificación y la mezcla de flujos, se realiza a través de un único dispositivo: la Fuse Sift.

Las piezas impresas en 3D mediante SLS están preparadas para su uso después de su filtrado con la Fuse Sift. No obstante, hay otros pasos de posacabado que se pueden considerar para las piezas de sinterizado selectivo con láser.

Por naturaleza, las piezas impresas en 3D mediante SLS tienen un acabado granuloso. Formlabs recomienda someter las piezas de SLS a un granallado o pulido para obtener un acabado de la superficie más liso. A las piezas se les puede aplicar pintura en aerosol, barniz, galvanizados y recubrimientos para obtener diversos colores, acabados y propiedades, como la estanqueidad (recubrimiento) y la conductividad (galvanizado). Las piezas de SLS de Formlabs son oscuras, por lo que no son ideales para su tinte.

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 probados de uso final.

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 3D SLS permite imprimir fácilmente proyecciones o voladizos, geometrías intrincadas, piezas entrecruzadas, canales interiores y otros diseños complejos.

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. 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 enrejados complejos 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 comprobados y de alta calidad. 

El nailon SLS es un excelente sustituto de los plásticos habituales moldeados por inyección. Ofrece fijaciones mediante presilla y juntas mecánicas 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.

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 del equipo disponible, los materiales y la mano de obra:

• Coste de propiedad del equipo: 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 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. Dado que la impresión 3D SLS no requiere estructuras de soporte y permite imprimir con polvo reciclado, el proceso produce una cantidad mínima de residuos.

• 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 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 trabajo 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, 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 su bajo coste por pieza y el uso de materiales 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).

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 100 000 €.

Con la Fuse 1, Formlabs lleva la potencia industrial del sinterizado selectivo por láser (SLS) 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 pronto llegará a Latinoamérica para abrir una nueva etapa de producción y creación de prototipos de manera independiente.