Руководство по 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLS)

3D-печать методом селективного лазерного спекания (SLS) — это технология, которой доверяют инженеры и производители в разных отраслях, ведь она позволяет создавать прочные и функциональные модели.

В этом подробном руководстве мы расскажем о технологии селективного лазерного спекания, различных системах и материалах, предлагаемых на рынке, о рабочем процессе и разных областях применения принтеров с технологией SLS, а также о том, когда стоит предпочесть 3D-печать по данной технологии другим аддитивным и традиционным методам производства.

Селективное лазерное спекание (SLS) — это технология аддитивного производства, в которой используется мощный лазер для спекания мелких частиц полимерного порошка в прочную структуру на основе 3D-модели. 

3D-печать по технологии SLS была популярна среди инженеров и производителей на протяжении десятилетий. Благодаря низкой себестоимости модели, высокой производительности и распространенным материалам эта технология отлично подходит для решения широкого спектра задач: от быстрого прототипирования до производства в малых объемах, изготовления ограниченных пробных партий или создания изделий по индивидуальному заказу.

Последние достижения в области техники, материалов и программного обеспечения открыли возможность печати по технологии SLS более широкому кругу компаний. Ранее такие инструменты использовались лишь в нескольких высокотехнологичных отраслях.

Представляем высокопроизводительный 3D-принтер Fuse 1 с технологией SLS, который наконец стал доступен.

1. Печать: на верхнюю часть платформы внутри рабочей камеры наносится тонкий слой порошка. Принтер выполняет предварительный нагрев порошка до температуры чуть ниже температуры плавления исходного материала. Это позволяет лазеру проще повышать температуру определенных областей порошкового слоя и отслеживать затвердевание модели. Лазер сканирует поперечное сечение 3D-модели, нагревая порошок до температуры плавления материала или чуть ниже. Частицы механически соединяются вместе, образуя единый твердый объект. Нераспыленный порошок поддерживает модель во время печати и устраняет необходимость в создании специальных поддерживающих структур. Затем платформа опускается в рабочую камеру на один слой, толщина которого, как правило, составляет 50–200 мкм, и процесс повторяется для каждого слоя, пока модели не будут готовы.

2. Остывание: после печати и перед постобработкой рабочая камера должна немного остыть в корпусе принтера, а потом вне корпуса, чтобы обеспечить оптимальные механические свойства моделей и избежать их деформации.

3. Постобработка: готовые модели необходимо извлечь из рабочей камеры, отделить друг от друга и очистить от лишнего порошка. Порошок можно переработать, а напечатанные модели подвергнуть струйной или галтовочной обработке.

Чтобы подробнее узнать о рабочем процессе, ознакомьтесь с разделом «Рабочий процесс 3D-печати по технологии SLS» ниже.

Неспекшийся порошок поддерживает модель во время печати и устраняет необходимость в создании специальных поддерживающих структур. Благодаря этому технология SLS идеально подходит для изготовления моделей со сложной геометрией, в том числе с внутренними элементами, поднутрениями, тонкими стенками, а также элементами с отрицательным уклоном. 

Модели, созданные с помощью 3D-печати по технологии SLS, имеют превосходные механические характеристики: их прочность сравнима с прочностью моделей, отлитых под давлением.

Селективное лазерное спекание (SLS) — одна из первых технологий аддитивного производства, разработана в середине 1980-х годов доктором Карлом Деккардом и доктором Джо Биманом в Техасском университете в Остине. С тех пор метод был адаптирован для работы с различными материалами, среди которых пластмассы, металлы, стекло, керамика и различные порошковые композиционные материалы. Сегодня все эти технологии классифицируются как синтез на подложке — аддитивные производственные процессы, с помощью которых выполняется избирательное спекание областей порошкового слоя под воздействием тепловой энергии.

На данный момент существуют две наиболее распространенные системы синтеза на подложке — это метод на основе пластмассы, обычно называемый селективным лазерным спеканием (SLS), и метод на основе металла, известный как прямое лазерное спекание металлов (DMLS) или селективное лазерное плавление (SLM). До недавнего времени обе системы были очень дорогими и сложными, что ограничивало их использование производством небольших партий дорогостоящих моделей или изделий по индивидуальному заказу, таких как аэрокосмические компоненты или медицинские устройства.

Благодаря инновациям в этой области  метод SLS на основе пластика станет таким же доступным, как и другие технологии 3D-печати, например стереолитография (SLA) и моделирование методом наплавления (FDM), и получит широкое распространение  в виде доступных, компактных систем.

Во всех 3D-принтерах с технологией селективного лазерного спекания используется процесс, описанный в предыдущем разделе. В основном такие принтеры отличаются типом лазера, объемом печати и сложностью системы. Для контроля температуры, дозирования порошка и нанесения слоев в различных устройствах применяются разные решения.

Технология селективного лазерного спекания требует высокой точности и строгого контроля в процессе печати. Температуру порошка и (незавершенных) моделей необходимо контролировать в пределах 2 °C на трех этапах производства: предварительный нагрев, спекание и хранение перед извлечением, что позволяет максимально исключить искривление, нагрузки и тепловую деформацию.

Десятки лет селективное лазерное спекание было одной из самых популярных профессиональных технологий 3D-печати, но из-за сложности, строгих требований и высокой цены его могли применять только сервисные бюро и крупные предприятия. 

В традиционных промышленных системах 3D-печати по технологии SLS установлен один или несколько мощных лазеров. Для предотвращения окисления и разрушения порошка в процессе печати нужна инертная среда (азот или другие газы), что требует наличия специализированного оборудования для обработки воздуха. 

Для таких установок также необходимы специальные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) и промышленное электроснабжение. Кроме того, даже самые маленькие промышленные установки занимают площадь не менее 10 кв. м.

Из-за высокой начальной стоимости примерно в 100 000 долларов США (и намного больше — в случае комплексных решений) традиционные промышленные системы с технологией SLS были недоступны для многих предприятий.

Как и в случае других технологий 3D-печати, таких как моделирование методом наплавления (FDM) и стереолитография (SLA), недавно на рынке стали появляться более доступные, компактные системы с технологией SLS. Однако эти решения обладали значительными недостатками. Среди них низкое качество моделей и сложные процессы работы вручную из-за нехватки решений для постобработки. Это  сильно ограничивало их применение в промышленном производстве.

Принтер Fuse 1 компании Formlabs относится к новой категории, в которой указанные недостатки устранены . Это первый промышленный 3D-принтер с технологией SLS для мастерских, который обеспечивает высокое качество, обладает компактными размерами, упрощает весь рабочий процесс и стоит намного дешевле традиционных промышленных систем аналогичного типа.

В Fuse 1 используется один лазер, и у него менее объемная рабочая камера, требующая меньшего нагрева. Порошок подвергается воздействию повышенных температур в течение более короткого периода времени, поэтому нет необходимости в инертных газах и специализированном вентиляционном оборудовании. Благодаря меньшему энергопотреблению он может работать от стандартного источника питания переменного тока, не требуя специальной инфраструктуры.

В принтере Fuse 1 реализована технология Surface Armor, на которую ожидается выдача патента. Благодаря ей создается полуспекшаяся оболочка,  обеспечивающая равномерный нагрев области вокруг моделей по мере их печати. Это позволяет добиться отличного качества поверхности, стабильных механических свойств, высокой надежности и высокого коэффициента обновления материала.

Кроме того, чтобы обеспечить компактную, самодостаточную экосистему и возможность комплексной обработки порошка, Fuse 1 дополняется станцией Fuse Sift — отдельным автономным устройством для извлечения моделей, восстановления, хранения и смешивания порошка.

В целом, промышленный 3D-принтер Fuse 1 с технологией SLS для мастерских отличается несколько меньшим объемом печати по сравнению с традиционными SLS-системами начального уровня, но при этом более компактен, упрощает рабочий процесс и стоит дешевле.

3D-печать по технологии SLS ускоряет процесс внедрения инноваций и помогает предприятиям в большом количестве отраслей, таких как инженерное дело, производство и здравоохранение. 

Используйте любое программное обеспечение САПР или данные 3D-сканирования, чтобы спроектировать модель, и экспортируйте ее в файл с форматом для 3D-печати (STL или OBJ). Во всех принтерах с технологией SLS используется программное обеспечение, позволяющее настраивать параметры, располагать модели, оценивать время печати и делить цифровую модель на слои. После настройки программное обеспечение для подготовки моделей отправляет команды на принтер по беспроводному или кабельному соединению.

Рабочий процесс для подготовки принтера отличается у разных систем. Большинство традиционных систем с технологией SLS требуют углубленного обучения, инструментов и физических действий для их подготовки и технического обслуживания. 

Fuse 1 позволяет по-новому взглянуть на рабочий процесс SLS, делая его простым и эффективным, а также обеспечивая бесперебойную печать и комплексную обработку порошка благодаря модульным компонентам.

После выполнения всех предварительных проверок устройство готово к печати. В зависимости от размера и сложности 3D-моделей, а также их плотности печать по технологии SLS может занимать от нескольких часов до нескольких дней.

Когда печать завершена, рабочая камера в корпусе должна немного остыть, и только затем можно  переходить к дальнейшим действиям. Чтобы запустить следующую печать, можно извлечь рабочую камеру и вставить новую. Перед постобработкой рабочая камера должна остыть, чтобы обеспечить оптимальные механические свойства моделей и избежать их деформации. Это может занять до половины всего времени печати.

По сравнению с другими процессами 3D-печати постобработка моделей, напечатанных по технологии SLS, требует минимум времени и трудозатрат. Благодаря отсутствию поддерживающих структур ее легко масштабировать, и она позволяет получить стабильные результаты для разных партий моделей.

После завершения печати извлеките готовые модели из рабочей камеры, отделите их и очистите от лишнего порошка. Как правило, это делают вручную на станции очистки с помощью сжатого воздуха или струйного аппарата.

Лишний порошок, оставшийся после создания модели, фильтруют, чтобы удалить из него крупные частицы. После этого его можно переработать. Под воздействием высокой температуры свойства неспекшегося порошка слегка ухудшаются, поэтому для последующей печати его нужно смешивать с новым материалом. Благодаря возможности повторного использования материалов технология SLS производит минимальное количество отходов.

Обычно в технологии SLS применяются отдельные устройства для восстановления, хранения и смешивания порошка. В рабочем процессе Fuse 1 для извлечения моделей и неспекшегося порошка, а также для хранения, дозирования и смешивания потоков материала используется одно устройство Fuse Sift.

После просеивания порошка 3D-модели, напечатанные по технологии селективного лазерного спекания, готовы к использованию. Однако для таких моделей можно выполнить еще несколько действий по постобработке.

По умолчанию поверхность 3D-моделей, созданных по технологии SLS, остается зернистой. Чтобы получить гладкую поверхность, компания Formlabs рекомендует подвергать модели, изготовленные по данному методу, струйной или галтовочной обработке. Модели можно окрашивать пульверизатором, лакировать, покрывать электролитическим или другим способом для получения нужного цвета, качества поверхности и свойств, например, водонепроницаемости (специальное покрытие) и электропроводности (электролитическое покрытие). Модели, созданные по технологии SLS Formlabs, получаются темного цвета, поэтому не очень хорошо подходят для окрашивания.

Инженеры и производители отдают предпочтение методу селективного лазерного спекания за его широкие возможности проектирования, высокую производительность, низкую себестоимость моделей и проверенные материалы для  конечного использования.

В большинстве процессов аддитивного производства, таких как стереолитография (SLA) и моделирование методом наплавления (FDM), для изготовления конструкций с нависающими элементами требуются специализированные поддерживающие структуры.

При селективном лазерном спекании поддерживающие структуры не нужны, поскольку во время печати модели окружает неспекшийся порошок. Печать по технологии SLS позволяет легко создавать нависающие элементы, замысловатые геометрические формы, взаимосоединяющиеся части, внутренние каналы и другие сложные детали.

Инженеры обычно проектируют модели,  учитывая возможности конечного производственного процесса, что также известно как проектирование с учетом технологических требований (DFM). Когда аддитивное производство используется только для прототипирования, оно сводится к созданию моделей и проектов, которые могут быть воспроизведены в процессе производства с помощью традиционных инструментов.

Селективное лазерное спекание становится жизнеспособным методом быстрого производства и его область применения продолжает расширяться, поэтому оно  способно открыть новые возможности проектирования и конструирования. 3D-принтеры с технологией SLS могут создавать изделия со сложной геометрией, изготавливать которые с помощью традиционных процессов невозможно или невероятно дорого. Технология SLS также позволяет специалистам по проектированию объединять в одну модель сложные узлы, для которых обычно требуется создавать несколько моделей. Это помогает избежать проблемы слабых соединений и сэкономить время на сборке.

Селективное лазерное спекание может раскрыть потенциал порождающего проектирования, так как позволяет создавать легкие модели, где используются сложные решетчатые конструкции, которые невозможно изготовить традиционными методами.

Селективное лазерное спекание — это самая быстрая технология аддитивного производства для изготовления функциональных, долговечных прототипов и изделий для конечного использования. Лазеры, которые применяются для спекания порошка, имеют гораздо более высокую скорость сканирования и являются более точными, чем методы нанесения слоев, используемые в других процессах, таких как промышленное моделирование методом наплавления (FDM).

Чтобы максимально увеличить доступный объем печати в каждом принтере, несколько моделей можно располагать вплотную друг к другу. С помощью программного обеспечения операторы могут оптимизировать объем печати и максимально повысить производительность, оставляя между моделями лишь минимальный зазор.

Для обеспечения функциональности и универсальности 3D-печати по технологии SLS необходимы соответствующие материалы. Нейлон, нейлоновые композиты и ТПУ — это проверенные, высококачественные термопластики.

Нейлон для печати по технологии SLS — отличная замена обычным пластмассам для литья под давлением. Получаемые из него защелки и другие механические соединения превосходят по качеству изделия, создаваемые с помощью любой другой технологии аддитивного производства. Он идеально подходит для изготовления функциональных пластмассовых деталей, которые будут работать, а не разрушаться со временем, как изделия, созданные посредством других методов аддитивного производства.

ТПУ SLS представляет собой отличную альтернативу традиционным процессам формования и превосходное решение по сравнению с другими методами 3D-печати для производства прочных и долговечных гибких моделей. Он идеально подходит для быстрого прототипирования, изготовления на заказ, а также мелкосерийного производства конечных деталей.

При расчете себестоимости одной модели обычно требуется учитывать стоимость владения оборудованием, расходы на материал и трудозатраты:

• Стоимость владения оборудованием: Чем больше моделей в течение срока службы может изготовить принтер, тем ниже затраты на каждую отдельную модель. Следовательно, более высокая производительность обеспечивает снижение стоимости владения оборудованием в расчете на одну модель. Учитывая высокую скорость сканирования лазера, возможность изготовления сразу нескольких моделей для максимально эффективного использования рабочего объема и простой процесс постобработки, 3D-печать по технологии SLS гарантирует самую высокую производительность среди всех методов аддитивного производства.

• Материал: Для большинства технологий 3D-печати используются фирменные материалы, нейлон же является распространенным термопластиком, который производится в больших количествах для промышленных целей. Это делает его одним из самых недорогих сырьевых материалов для аддитивного производства. 3D-печать по технологии SLS не требует создания поддерживающих структур и позволяет выполнять печать с помощью переработанного порошка, обеспечивая минимальное количество отходов.

• Трудозатраты: Трудозатраты — недостаток многих решений для 3D-печати. Рабочие процессы в большинстве технологий достаточно трудоемки, и их сложно автоматизировать, что может существенно влиять на себестоимость одной модели. Простая постобработка при печати по технологии SLS снижает объем ручного труда и позволяет легко масштабировать этот процесс.

Первоначально в 3D-принтер с технологией SLS приходится вкладывать значительные средства, но зачастую эти вложения окупаются даже быстрее, чем покупка устройств меньшего размера. Технология SLS для мастерских существенно снижает начальные затраты на приобретение, а также сокращает себестоимость моделей в большинстве областей применения.

Если на вашем предприятии 3D-печать применяется редко, рекомендуется использовать услуги сторонних сервисных бюро. Но в таком случае денежные затраты будут выше и придется дольше ждать выполнения заказа. Одно из главных преимуществ 3D-печати — ее скорость по сравнению с традиционными методами производства. Но это преимущество теряет свое значение, когда сторонней компании требуется до нескольких недель для доставки модели. 

Селективное лазерное спекание позволяет инженерам создавать прототипы деталей в самом начале цикла разработки, а затем использовать то же оборудование и материалы, чтобы производить изделия для конечного использования. Для 3D-печати по технологии SLS не требуются такие же дорогостоящие и трудоемкие инструменты, как при традиционном производстве, поэтому прототипы деталей и узлов можно тестировать и легко изменять всего за несколько дней. В результате  время разработки продукции значительно сокращается.

Учитывая низкую себестоимость одной модели и долговечность материалов, печать по технологии SLS является экономичным способом производства сложных моделей по индивидуальному заказу или партий небольших компонентов для конечных продуктов. Во многих случаях для производства ограниченных или небольших пробных партий изделий селективное лазерное спекание служит экономически выгодной альтернативой литью под давлением.

До сих пор промышленные 3D-принтеры с технологией SLS были слишком дорогостоящими для большинства компаний: стоимость одного устройства превышала 100 000 долларов США.

Благодаря компактному принтеру Fuse 1 c простым рабочим процессом компания Formlabs переносит широкие промышленные возможности селективного лазерного спекания (SLS) в мастерские и позволяет изготавливать модели из высококачественных материалов по самой низкой себестоимости.

Fuse 1 открывает новую эпоху в области независимого производства и создания прототипов.