SLS - Selective Laser Sintering

Skrót SLS oznacza z ang. Selective Laser Sintering czyli selektywne spiekanie laserowe. Maszyny SLS tworzą przedmioty poprzez nanoszenie warstw proszku tworzywa sztucznego i selektywne ich spiekanie przy pomocy lasera.

Rysunek poniżej przedstawia ogólny schemat funkcjonowania technologii Selective Laser Sintering. Metoda ta jest bardzo podobna do procesu stereolitografii, jednak zamiast ciekłego materiału, używany jest materiał w formie sproszkowanej.

SLS - Selective Laser Sintering

Schemat przedstawia ogólną zasadę działania technologii SLS.

W praktyce najlepsze tworzywa termoplastyczne nadające się do technologii SLS to te o strukturze semikrystalicznej, ze względu na ich wyraźny punkt topnienia w funkcji temperatury. W procesie tym najczęściej wykorzystuje się poliamidy (PA11 i PA12) oraz ich mieszaniny z barwnikami, mączką szklaną lub aluminiową, a nawet dodatek włókna węglowego. W branży odlewniczej stosuje się polistyren ze względu na jego niską temperaturę topnienie i niską ilość popiołu po wypaleniu, dzięki czemu można tworzyć bezpośrednio przy pomocy SLS modele do odlewu techniką modelu traconego. Technologia SLS nie wymaga struktur podporowych, gdyż sam niespieczony proszek jest wystarczającą podporą. Fakt ten sprawia, że metodą tą można wykonywać nawet najbardziej skomplikowane kształty i struktury przestrzenne o minimalnej grubości ścianek, na poziomie części milimetra. Jest to możliwe również dzięki jednoczesnemu zastosowaniu wytrzymałych materiałów jakimi są paliamidy.

SLSstruktóra wielkościenna SLSstróktura wielkościenna

Kilka przykładów skomplikowanych struktur wielościennych, które można wykonać dzięki technologii SLS w jednym procesie w całości dzięki braku konieczności stosowania struktur podporowych.

Ze względu na znaczny skurcz termiczny poliamidów (2-4%) proces spiekania laserowego odbywa się w temperaturze bliskiej punktowi topnienia. Z tego powodu niespieczony materiał ulega stopniowej degradacji termicznej i nie można go stosować w 100% ponownie. Najczęściej stosuje się mieszaniny „starego” proszku z nowym. Producenci maszyn SLS starają się zmniejszyć proporcję odświeżania proszków, tak aby sam proces był jak najbardziej wydajny materiałowo. W przypadku materiałów takich jak PA11 czy PA12 można obecnie z powodzeniem stosować proporcje 50/50%, a w niektórych aplikacjach 70/30% starego proszku do nowego. Z kolei sproszkowany polistyren, który jest wykorzystywany do budowania części do odlewu metodą modelu traconego można wykorzystywać w 100% ponownie, gdyż jest on spiekany w bardzo niskich temperaturach (60-90 stC), przez co nie ulega degradacji termicznej.

Biorąc pod uwagę wszystkie obecne zautomatyzowane technologie warstwowego wytwarzania, czyli to wszystko co przyjęło się nazywać technologiami druku 3D, SLS ma największy potencjał produkcyjny . Wynika to z kilku bardzo istotnych zalet: brak podpór, szerokie spektrum materiałów, wysoka dokładność, niskie ceny materiałów, wysokie tempo budowania.

Historia

Selective Laser Sintering to przykład technologii, która nowatorstwem znacznie wyprzedzała swoje czasy. Jest to opowieść o straconych szansach i wielkim utajonym potencjale, który zaczyna być doceniany dopiero w naszych czasach, po ponad 30 latach od wynalezienia.

Pierwotny pomysł na budowanie przedmiotów za pomocą warstwowego przetapiania sproszkowanego materiału z udziałem promieniowania elektromagnetycznego w postaci np. lasera, narodził się najprawdopodobniej całkowicie niezależnie od pomysły na stereolitografię, mimo tego, że wydarzyło się to w tym samym czasie. Pierwszy patent na system warstwowego formowanie obiektów przy pomocy lasera spiekającego materiał został zgłoszony przez Ross’a „Franka” Hausholder’a w 1979r (Patent US 4247508 A). Hausholder wymyślił metodę warstwowego modelowania w drodze do pracy, oglądając fale nanoszące piasek, gdy w latach 70tych mieszkał w Las Vegas. Niestety z powody braku funduszy jego pomysł nigdy nie został skomercjalizowany ani nawet doprowadzony do fazy testów. W czasie gdy Hausholder zaczął pracować dla Saudyjskiego oddziału korporacji naftowej ARAMCO, młody magistrant Carl Decard, niezależnie opracował podobną koncepcję budowania części przy pomocy selektywnego laserowego spiekania. Tym co zmotywowało Decard’a do opracowania tego wynalazku była letnia praca w 1981r w firmie TRW Mission, która produkowała elementy dla przemysłu naftowego. W tamtym czasie byli oni jednym z liderów w wykorzystywaniu programów CAD do kontroli maszyn CNC. Firma używała również wiele skomplikowanych odlewów przez co Carl Deckard zdał sobie sprawę, że można stworzyć wielki rynek dzięki uproszczeniu produkcji skomplikowanych modeli odlewniczych bezpośrednio z danych CAD. Opracowanie koncepcji SLS zajęło mu dwa i pół roku. W 1984 wpadł on na pomysł żeby użyć promieniowania laserowego lub wiązką elektronów do selektywnego przetapiania warstw sproszkowanego materiału, w celu stworzenia części lub modeli bezpośrednio z komputerowych rysunków CAD. Swoim pomysłem zainteresował dr Joe Beaman’a który widział zalety tego pomysłu i zgodził się na to żeby pomóc Deckard’owi w rozwijaniu tej koncepcji i zaproponował mu studia magisterskie na Uniwersytecie Teksańskim (UT). Pierwszą akademicką maszyną SLS zaprojektowaną przez Deckard’a było urządzenie, które sterowała zwierciadłami skanera i 100W laserem YAG przy pomocy zmodyfikowanego komputer Comodore64. Jak tylko udało się stworzyć parametry pozwalające na zbudowanie w miarę trwałego detalu, Deckard wykorzystał te dane do napisania pracy magisterskiej, którą obronił w 1986r. Po obronie postanowił zostać na UT i kontynuować swój projekt już na studiach doktoranckich. Razem z dr Beaman’em otrzymali dofinansowanie w wysokości 30 000$ dzięki czemu mogli stworzyć udoskonaloną maszynę SLS nazwaną „Betsy”, która mogła już wykonać części nadające się do wykorzystania ich w odlewnictwie. We październiku 1986r. na UT zgłosiło się dwóch biznesmenów którzy byli zainteresowani skomercjalizowaniem wynalazku Carla Deckard’a. Byli to dr Paul F. McClure i Harold Blair z Austin. Zespół badawczy stworzył firmę Nova Automations, analogicznie do tamtejszej firmy Blair’a Nova Graphics Intl. Corp. UT zgodziło się do użyczenia praw do wyanlazku pod warunkiem że fundusze na jej rozpoczęcie w wysokości 300 000$ zostaną zebrane do końca 1988r. W tym czasie Deckard wraz z kolegą Paulem Forderhas planowali budowę maszyny, która nigdy nie powstała, jednak była ochrzczona imieniem „Godzilla”. Aby uzyskać wystarczająco wysoką temperaturę i ciśnienie wewnątrz komory roboczej maszyna ta wymagałaby wielkiego nakładu finansowego i z tego powodu koncepcja musiała zostać przeprojektowana. W tym czasie Deckard pracował równolegle nad „Betsy”, dzięki czemu uzyskał dane do swojego doktoratu, który obronił w grudniu 1988. W 1987r. Po przeprojektowaniu koncepcji Godzilli zespół stworzył kolejną maszynę laboratoryjna opatrzoną nazwą „Bambi”. Posiadała ona już własny zintegrowany system CAD - „Stanley CAD”. Dzięki pomocy dwóch specjalistów z dziedziny polimerów i technologii laserowych Joela Barlow i Dave’a Bourell, „Bambi” wniosła wiele udoskonaleń w rozwoju technologii SLS i służyła jeszcze przez długie lata na UT jako maszyna eksperymentalna i produkcyjna. Przed końcem 1989 Nova Authomation zdołała zebrać fundusze na komercjalizację SLS, dzięki pozyskaniu inwestora w postaci Goodrich Corp. Następnie zmieniono nazwę firmy na DTM Corp. Jako referencję do popularnych w tamtych czasach artykułów odnośnie technologii CAD określanych mianem „Desk Top Manufacturing”. Pierwsza komercyjna maszyna DTM nazwana 125S, została sprzedana dzięki sukcesowi na targach Autofact ’89, do Franka Zanner z Sandia National Laboratories, który pracowała nad technologią odlewu z wykorzystaniem prototypowych woskowych modeli traconych. Do 1991r. DTM zbudowała 5 kolejnych maszyn nazwanych BETA, które niestety były zbyt skomplikowane jak na tamte czasy i nie osiągnęły sukcesu komercyjnego.

W 2001 DTM została przejęta przez 3D Systems, który zyskał nową technologię do swojego portfolio, stając się jednocześnie firmą będącą liderem na rynku cyfrowych technologii przemysłowych. Jednocześnie w tym czasie 3D Systems rozpoczął spór patentowy z europejskim producentem maszyn SLA SLS/SLM firmą Electro Optical Systems GmbH. – EOS.

EOS już od 1989r. rozwijał swoją technologię SLA i równolegle SLS/SLM. W latach 90tych firma była liderem w rozwijaniu przede wszystkim maszyn do laserowego przetapiania metali, jak i tworzyw sztucznych. Spór z 2001r. zakończył się transakcją wymiany i sprzedaży wszystkich patentów do technologii SLA rozwijanej przez EOS i zaniechania dalszej produkcji maszyn SLA, przy jednoczesnym otrzymaniu od 3D Systems podstawowych patentów niezbędnych do rozwoju technologii SLS/SLM przez EOS. Od tamtej pory EOS stał się kluczowym producentem i liderem na rynku systemów produkcyjnych SLS i przede wszystkim systemów do bezpośredniego laserowego przetapiania metali – DMLS.

Producenci

* firmy nadal oferujące systemy SLA

Wygląd niektórych maszyn SLS (starych i nowych)

DTM Sinterstation 2000

Maszyna DTM Sinterstation 2000 – jedno z pierwszych urządzeń SLS produkowane na początku lat 90tych. Wymiary cylindrycznej komory roboczej – średnica 300 x 380mm wysokość.

SLS firmy EOS

Szereg maszyn SLS firmy EOS (od najmniejszej z lewej do największych z prawej P760 i P800 o wymiarach komory roboczej 700x380x580 mm).

EOS Formiga P100/110

Wnętrze najmniejszej i jednocześnie obecnie (2013r) najtańszej maszyny SLS - EOS Formiga P100/110 z komorą roboczą o wymiarach 200x250x300mm. Na szczycie maszyny widoczne są dwie beczułki z proszkiem poliamidowym wykorzystywanym do budowy części, po prawej strony nowoczesny ekran dotykowy do sterowania maszyną.

Zalety technologii SLS

  • wysoka wytrzymałość budowanych części dorównująca wytrzymałości elementów z form wtryskowych
  • doskonała homogeniczność własności mechanicznych materiału niezależnie od ułożenia części w przestrzeni roboczej
  • możliwość budowania cienkich wytrzymałych ścianek nawet do 0,1mm grubości (w zależności od ułożenia w przestrzeni roboczej)
  • wysoka dokładność wymiarowa i powtarzalność budowanych elementów
  • stosunkowo dobra jakość powierzchni
  • szeroki wybór materiałów w tym materiałów do odlewów metodą modelu traconego (polistyren)
  • niskie koszty eksploatacji i niskie koszty materiałów
  • wysoki potencjał do wykonywania krótkoseryjnej produkcji
  • brak struktur podporowych

Wady technologii SLS

  • konieczność stosowania zaplecza do pracy ze sproszkowanym pylącym materiałem
  • trudność w budowaniu dużych płaskich powierzchni ze względu na gradienty temperaturowe podczas studzenia części
  • drogie koszty wejścia ze względu na wysokie ceny kluczowych komponentów maszyny (skaner na galwomotorach, laser CO2).
  • długi czas powolnego wystudzenia komory roboczej po procesie, w celu uzyskania równomiernego skurczu budowanych elementów
  • znaczna owalizacja otworów do 10mm średnicy, których osie umieszczone są na płaszczyznach pionowych detali.

Aplikacje

  • generalne prototypowanie części z tworzyw sztucznych o wysokiej wytrzymałości mechanicznej
  • elektroenergetyka
  • medycyna, narzędzi medyczne, modele do planowania operacyjnego
  • lotnictwo
  • odlewnictwo
  • tworzenie nietypowych narzędzi
  • dzieła sztuki
  • przemysł samochodowy

Przykłady aplikacyjne:

FESTO Bionic Handling Asistant. Niezwykły manipulator wykonany z 4 funkcjonalnych segmentów w technologii SLS. 3 kolumny mieszków rozszerzają się lub kurczą, w zależności od panującego w nich ciśnienia powietrza. W ten sposób ramię zmienia swoją długość i kierunek.

Rower którego wszystkie części poza oponami i paskiem zębatym zostały wykonane w technologii SLS na maszynie EOS P3XX z materiału PA2200 (Nylon).