Technologia SLS i materiały, które zmieniają oblicze produkcji krótkoseryjnej

W ciągu ostatnich 8 lat technologia SLS (Selective Laser Sintering) przeszła transformację z drogiej i mało precyzyjnej technologii szybkiego prototypowania, na wiodącą technologię warstwowego wytwarzania elementów z tworzyw sztucznych. Najnowsze generacje maszyn SLS oferują wysoką kontrolę procesu oraz znacznie lepszą jakość wymiarową budowanych detali.

Dzięki popularyzacji technologii warstwowego wytwarzania w mediach potocznie określanych jako druk 3D coraz więcej firm świadomie wybiera krótkoseryjną produkcję elementów inżynieryjnych z wykorzystaniem technologii SLS. Zasada działania SLS opiera się na selektywnym przetapianiu kolejnych warstw sproszkowanego tworzywa aż do uzyskania całej bryły budowanego obiektu. W procesie SLS nie jest wymagane stosowanie trwałych struktur podporowych. Części budowane w ten sposób są gotowe do użycia już po oczyszczeniu z niespieczonego proszku, który jest wystarczającym szalunkiem dla zawieszonych w przestrzeni roboczej części. Przyrostowy charakter technologii SLS oraz brak struktur podporowych umożliwia inżynierom niezwykłą swobodę projektowania. Stwarza to możliwość wykonywanie w jednym procesie nawet najbardziej skomplikowanych geometrii, oraz całych złożeń integrujących w sobie wiele elementów ruchomych lub sprężystych.

Bionic Handling Assistant

Pneumatyczny, bioniczny asystent naśladujący funkcjonalność ruchu trąby słonia. Urządzenie zostało wydrukowane w technologii SLS i mimo dużego skomplikowania w praktyce składa się z 8 zespolonych segmentów z których każdy z nich był wybudowany jako złożenie z materiału PA2200 w mniej niż 24h.
Źródło: FASTO GmbH, IPA Stutgartt – projekt koncepcyjny „Bionic Handling Assistant” 2010 (Autorzy projektu: Dr Peter Post i Markus Fischer z Festo – Esslingen, oraz Andrzej Grzesiak z IPA - Stuttgart).

Wiodącym materiałem dla technologii SLS nadal jest poliamid 12, oferowany przez kluczowych producentów maszyn SLS pod handlowymi nazwami PA2200 (firma EOS) oraz Duraform PA i ProX (firma 3D Systems). Coraz chętniej wykorzystywane są mieszaniny kompozytowe PA12 z mączką szklaną, proszkiem aluminiowym lub włóknem węglowym. Mało kto zdaje sobie sprawę, że takie maszyny jak najnowszy Boeing 787 Dreamliner posiada ponad 30 części wykonanych w technologii SLS z zaakceptowanego przez Joint Avietion Authorieties ognioodpornego materiału na bazie poliamidu 12. Z kolei w przemyśle samochodowym technologia SLS znalazła zastosowanie w produkcji krótkich serii elementów pokrywanych szlachetnymi materiałami jak skóra drewno czy metal.

Przemysł kosmiczny jest również coraz bardziej zainteresowany możliwościami produkcyjnymi technologii SLS oraz oferowanymi w tej dziedzinie materiałami. 19 listopada 2013 roku na orbicie okołoziemskiej został umieszczony sztuczny satelita KySat-2 będący częścią programu NASA - EleNa IV. Satelita ten jest zminiaturyzowaną konstrukcją typu „CubeSat” i zawiera kilka części wykonanych w technologii SLS z bardzo wytrzymałego materiału na bazie poliamidu zbrojonego włóknem węglowym - Windform XT2.0 oraz Windform LX2.0, który jest z kolei usztywniany włóknem szklanym. W warunkach kosmicznych liczy się przede wszystkim niezawodność i odporność na ekstremalne zmiany temperatur. W związku z tym to wydarzenie potwierdza w potencjał produkcyjny i jakość części produkowanych w technologii SLS.

Niektóre z części satelity KySat-2 wykonane z materiału Widnform XT2.0
Źródło: Części wykonano metodą SLS w CRP Technology USA; projekt wykonany przez studentów University of Kentucky i Morehead University w ramach programu NASA EleNa IV.

Innym dość popularnym materiałem ze względu na swoją wysoką udarność i wytrzymałość na rozciąganie jest proszek poliamidu PA 11. Jest to tworzywo pochodzenia biologicznego wytwarzany z oleju rycynowego. Materiał ten doskonale nadaje się do symulacji części oryginalnie produkowanych z polipropylenu i polietylenu HD. Nie jest on jednak pozbawiony wad. Zasadniczym problemem podczas budowania części metodą SLS z PA 11 jest trudność wykonywania geometrii grubszych niż 2,5mm. Jest to spowodowane znacznie większym skurczem termicznym, który powoduje zapadnięcia na grubszych elementach części oraz generuje znaczne naprężenia obniżające dokładność wymiarową detali. W technologii SLS problem ten jest rozwiązywany poprzez stosowanie specjalnych strategii ekspozycji laserowej typu Skin/Core dla wewnętrznych i zewnętrznych struktur detali

Dla przemysłu odlewniczego został stworzony proszek polistyrenowy do wykonywania modeli w technologii SLS dla krótkoseryjnych odlewów metodą modelu traconego. Ze względu na dość ograniczoną dokładność wymiarową i jakość powierzchni polistyren nie odniósł tak spektakularnego sukcesu jak poliamidy. Większość światowej produkcji odlewów metodą modelu traconego dotyczy precyzyjnych elementów dla lotnictwa i branży jubilerskiej gdzie wymagane są dokładności na poziomie +/-0,02-0,05 mm. Dokładność wymiarowa modeli polistyrenowych SLS większa jest o rząd wielkości większa i nadaje się do wykonywania odlewów o mniejszej dokładności.

W 2012 roku branża produkcji przyrostowej SLS przeżyła półroczny kryzys spowodowany tragicznym w skutkach wybuchem na linii produkcyjnej PA12 firmy Evonic - jednego z największych producentów syntetyzujących to tworzywo. Spowodowało to znaczne braki i opóźnienia w dostawach tego tworzywa nie tylko dla producentów SLS ale także dla większych odbiorców granulatu z branży pneumatycznej i motoryzacyjnej. Wydarzenie to zwróciło uwagę producentów systemów SLS na konieczność zabezpieczenia produkcji materiałów dla technologii SLS i dywersyfikacją dostawców.

Oprócz wymienionych powyżej dobrze przetestowanych materiałów na rynku pojawiły się całkowicie nowe materiały takie jak proszki polipropylenowe i polietylenowe (PE HD). Materiały te charakteryzują się znacznie niższą ceną od poliamidów. Proszki PP i PE w przeciwieństwie do poliamidów, które wymagają odświeżania starego niespieczonego proszku znacznymi ilościami proszku nowego (na poziomie 30-70%) można wykorzystywać niespieczony proszek niemal w 100% ponownie co w znaczący sposób obniża koszty produkcji. W celu zwiększenia sztywności polipropylenu można również stosować dodatki mineralne typu mączka szklana, tlenki metali czy też włókna aramidowe.

Jednym z najnowszych materiałów, które można przetwarzać metodą SLS jest tworzywo PEEK (Poli-Etero-Etero-Keton). Obecnie można je przetwarzać na specjalnie przystosowanej do tego materiału maszynie P800 firmy EOS. Detale wykonane z tego materiału charakteryzuje wysoka wytrzymałość mechaniczna, temperaturowa (180-260 st. C w zależności od aplikacji) i chemiczna. PEEK jest również tworzywem biokompatybilnym przez co zaczyna być stosowany do budowy implantów zastępujących tkankę kostną i stanowiących szkielet ułatwiający osteointegrację implantu z ciałem pacjenta. Ponadto implanty PEEK dużo lepiej pochłaniają drgania i siły od stosowanych do tej pory implantów tytanowych przez co zmniejszają ryzyko mechanicznego ubytku kości. Dzięki swojej niezwykłej odporności termicznej materiał ten wykorzystywany jest też w branży kosmicznej i lotniczej. W branży motoryzacyjnej pojawia się on coraz częściej jako zastępstwo dla niektórych części wykonywanych do tej pory z metalu np. panwi łożyskujących czy też uszczelnień wałów gdyż posiada dobre własności samosmarujące. Dzięki swobodzie projektowej jaką daje SLS w najbliższych latach możemy się spodziewać nowych aplikacji z wykorzystaniem tworzywa PEEK.

Czaszka PEEKPEEK

Implant czaszkowy wykonany metodą SLS z materiału PEEK HP3 w programie Custom IMD wspomaganym przez Unię Europejską.
Źródło: EOS GmbH

Materiały w technologii SLS doskonale sprawdzają się w produkcji nisko-seryjnej od kilku do paru tysięcy sztuk, a dodatkowym atutem technologii SLS jest znacznie większa swoboda projektowania skomplikowanych detali niż w przypadku produktów projektowanych pod kątem form wtryskowych. Niestety póki co częściom SLS daleko jeszcze do jakości powierzchni, którą można uzyskać metodą wtrysku i w przypadku detali estetycznych prawie zawsze wymagany jest pracochłonny postprocessing. Mimo to pojawia się coraz więcej firm korzystających z SLS do produkcji akcesoriów modowych stosując jako uzupełnienie technologii techniki metalizowania galwanicznego i próżniowego oraz zautomatyzowane lakierowanie.

Według najnowszego raportu Wohlers Association 2014 z roku na rok widoczny jest stabilny wzrost procentowego udziału części produkowanych finalnie w stosunku do wszystkich części wykonywanych metodami druku 3D. Znacznym udziałem tego wzrostu jest produkcja oparta o technologię SLS ale widoczny jest również wzrost produkcji części metalowych w pokrewnych do SLS technologiach takich jak EBM (Electron Beam Melting), DMLS (Direct Metal Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting).

Wykres SLS

Wykres przedstawia procentowy wzrost udziału części produkowanych jako finalne do wszystkich części wykonanych na drukarkach 3D czyli przede wszystkim prototypów na przełomie lat 2002-2014.
Źródło: Wohlers Report 2014




Szukaj

Najnowsze

  • Kolejna polska drukarka zadebiutuje na światowym rynku +

    Kolejna polska drukarka zadebiutuje na światowym rynku Już 22 września ruszają jedne z największych targów narzędziowych na świecie - Euromold, podczas których krakowski producent drukarek 3D - firma 3D Czytaj
  • Technologia SLS i materiały, które zmieniają oblicze produkcji krótkoseryjnej +

    Technologia SLS i materiały, które zmieniają oblicze produkcji krótkoseryjnej W ciągu ostatnich 8 lat technologia SLS (Selective Laser Sintering) przeszła transformację z drogiej i mało precyzyjnej technologii szybkiego prototypowania, Czytaj
  • Konkurs 3D[E]KONSTRUKCJE +

    Konkurs 3D[E]KONSTRUKCJE Popularność druku 3D wciąż rośnie, chociaż ciągle istnieją nieodkryte możliwości związane z tą technologią. Właśnie dlatego Concordia Design - Centrum Innowacji, Czytaj
  • 1

Nadchodzące imprezy

Brak wydarzeń