Sinterizzazione laser selettiva (SLS): Stampa 3D

La stampa 3D con sinterizzazione laser selettiva (SLS) è apprezzata da ingegneri e produttori in una varietà di settori per la sua capacità di produrre parti robuste e funzionali.

In questa guida esauriente parleremo del processo di sinterizzazione laser selettiva, dei diversi sistemi e materiali disponibili sul mercato per questa tecnica, del processo di lavoro per le stampanti SLS e delle loro varie applicazioni. Spiegheremo anche quando utilizzare la stampa 3D SLS al posto di altri metodi di produzione tradizionale o additiva.

Che cos’è la stampa 3D con sinterizzazione laser selettiva (SLS)?

La sinterizzazione laser selettiva è una tecnologia di produzione additiva che utilizza un laser per sinterizzare piccole particelle di polvere polimerica in una struttura solida basata su un modello 3D.

La stampa 3D SLS è stata una scelta popolare per ingegneri e produttori per decenni. Con un basso costo per parte, un’elevata produttività e materiali consolidati, questa tecnologia è ideale per un’ampia varietà di applicazioni, dalla prototipazione rapida alla produzione in piccoli lotti , al lancio rapido di prodotti (noto come bridging manufacturing) o alla produzione personalizzata.

I recenti progressi in macchinari, materiali e software hanno reso la stampa 3D accessibile a una gamma più ampia di aziende, consentendo a sempre più aziende di utilizzare questi strumenti che in precedenza erano limitati a pochi settori all’avanguardia.

Come funziona la stampa 3D SLS?

1. Impressione: La polvere viene dispersa come uno strato sottile sopra una piattaforma all’interno della camera di stampa. La stampante preriscalda la polvere a una temperatura leggermente inferiore al punto di fusione della materia prima, rendendo più facile per il laser aumentare la temperatura di aree specifiche del letto di polvere mentre si muove attraverso il modello, solidificando la parte.Il laser attraversa una sezione trasversale del modello 3D e riscalda la polvere a una temperatura inferiore o corrispondente al punto di fusione del materiale. Questo processo fonde le particelle e le lega insieme meccanicamente per creare una parte solida. La polvere non fusa funge da supporto per il pezzo durante la stampa, eliminando la necessità di aggiungere strutture di supporto specifiche. Prossimo,
2. Raffreddamento: Dopo la stampa, la camera di stampa deve essere leggermente raffreddata all’interno della sala stampa e poi all’esterno della stampante, per garantire proprietà meccaniche ottimali ed evitare la deformazione delle parti.
3. Post-finitura: le parti finite devono essere rimosse dalla camera di costruzione, separate e pulite dalla polvere in eccesso. La polvere può essere riciclata e le parti possono essere ulteriormente rifinite mediante pallinatura o lucidatura.

Se vuoi conoscere i dettagli del processo di lavoro, consulta la sezione ” Il processo di lavoro della stampa 3D SLS “, che mostriamo più avanti.

Poiché la polvere non fusa funge da supporto per il pezzo durante la stampa, non è necessario aggiungere strutture di supporto in modo specifico. Ciò rende la stampa SLS ideale per geometrie complesse come goffrature, sottosquadri, pareti sottili e negativi di parti.

Le parti prodotte utilizzando la stampa 3D SLS hanno eccellenti caratteristiche meccaniche, con una resistenza simile a quella delle parti stampate a iniezione.

Breve storia della stampa 3D SLS

La sinterizzazione laser selettiva è stata una delle prime tecniche di produzione additiva, sviluppata a metà degli anni ’80 dai dottori Carl Deckard e Joe Beaman presso l’Università del Texas ad Austin. Da allora, il suo metodo è stato adattato per lavorare con una moltitudine di materiali, tra cui plastica, metallo, vetro, ceramica e vari materiali compositi in polvere. Oggi, queste tecnologie sono generalmente note come processi di produzione additiva del letto di polvere, che utilizzano l’energia termica per fondere selettivamente insieme le parti di un letto di polvere.

I due sistemi a letto di polvere più comuni oggi sono a base di plastica, comunemente indicati come sistemi SLS, e a base di metallo, nota come sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) o fusione laser selettiva (SLM). Fino a poco tempo, i sistemi di fusione di plastica e metallo erano proibitivi e ingombranti da utilizzare, limitando il loro uso a piccole quantità di alto valore o parti personalizzate, come componenti aerospaziali o dispositivi medici.

Di recente, l’innovazione in questo campo ha visto una rapida crescita e sembra che i sistemi SLS basati su plastica stiano seguendo le orme di altre tecnologie di stampa 3D, come la stereolitografia (SLA) o la modellazione a deposizione fusa (FDM) , per diventare accessibili o compatti sistemi di grande accettazione.

Tipi di stampanti 3D SLS

Tutte le stampanti 3D a sinterizzazione laser selettiva si basano sul processo che abbiamo descritto nella sezione precedente. Le differenze principali riguardano il tipo di laser utilizzato, le dimensioni della piattaforma di costruzione e la complessità del sistema. Le diverse macchine disponibili impiegano diverse soluzioni per controllare la temperatura, l’erogazione delle polveri e la deposizione degli strati.

La sinterizzazione laser selettiva richiede un elevato livello di precisione e un controllo rigoroso durante tutto il processo di stampa. La temperatura della polvere e quella dei pezzi (grezzi) non deve variare di oltre 2ºC durante le tre fasi di preriscaldamento, sinterizzazione e stoccaggio prima della rimozione del pezzo, in modo da ridurre al minimo la possibilità di deformazioni, sollecitazioni o distorsioni causate dal calore.

Stampanti 3D SLS industriali tradizionali

La sinterizzazione laser selettiva è da decenni una delle tecnologie di stampa 3D più popolari tra i professionisti, ma la sua complessità, i requisiti e il prezzo elevato ne hanno limitato l’uso ai fornitori di servizi e alle grandi imprese.

I tradizionali sistemi di stampa 3D SLS industriale utilizzano uno o più laser ad alta potenza. Il processo di stampa richiede l’uso di un ambiente inerte (azoto o altri gas) per evitare che la polvere si ossidi o si degradi, richiedendo quindi attrezzature specializzate per il trattamento dell’aria.

Queste macchine richiedono anche alimentazione industriale e aria condizionata speciale, e anche le macchine industriali più piccole richiedono uno spazio di installazione di almeno 10 m².

Il prezzo del tradizionale SLS industriale, che parte da circa 100.000 euro e aumenta notevolmente se si acquistano soluzioni complete, ha reso questo metodo di produzione inaccessibile per molte aziende.

Fusibile 1: la prima stampante 3D SLS industriale funzionante

Come per altre tecnologie di stampa 3D come FDM o SLA, hanno iniziato ad apparire sul mercato sistemi SLS compatti ed economici, ma sono soluzioni con notevoli inconvenienti. Questi includono una qualità dei pezzi inferiore e processi di lavoro manuali ingombranti causati dalla mancanza di soluzioni di post-finitura, che finora ne hanno limitato l’uso in ambito manifatturiero e industriale.

La 3d-type LAB X2-2 mira a colmare questa lacuna e creare una propria categoria con la prima stampante 3D SLS industriale per il lavoro che offre alta qualità in un ingombro ridotto e un flusso di lavoro completo e snello a un prezzo inferiore al prezzo dei sistemi tradizionali SLS industriali.

Il LAB X2-2 utilizza un singolo laser e ha una piccola camera di costruzione che richiede meno riscaldamento. Poiché la polvere viene esposta per meno tempo a temperature elevate, non sono necessari gas inerti o apparecchiature specializzate per il trattamento dell’aria. Il suo consumo energetico inferiore significa che può funzionare con alimentazione CA standard senza richiedere infrastrutture specializzate.

Il LAB X2-2 è dotato di una tecnologia in attesa di brevetto chiamata Surface Armor, un guscio semi-sinterizzato che consente all’area attorno alle parti di mantenere un calore uniforme durante la stampa, garantendo un’eccellente finitura superficiale, proprietà meccaniche coerenti, grande affidabilità e tassi di rinnovo elevati.

Per offrire un ecosistema compatto e contenuto e un controllo totale della polvere, il LAB X2-2 è accompagnato dal LAB H5, che copre l’estrazione delle parti, il recupero della polvere, lo stoccaggio e la miscelazione; tutto in un unico dispositivo senza tethering.

In generale, le stampanti 3D SLS industriali per aree di lavoro offrono un volume di costruzione leggermente inferiore rispetto ai tradizionali sistemi SLS entry-level, ma in cambio hanno un ingombro molto più piccolo, un flusso di lavoro semplificato e sono più convenienti.

Confronto di stampanti 3D SLS

Materiali di stampa 3D SLS

Il materiale più comune per la sinterizzazione laser selettiva è il nylon , un tecnopolimero termoplastico ad alta capacità utilizzato sia per i prototipi funzionali che per la produzione finale. Il nylon è ideale per assemblaggi complessi e parti durevoli con elevata stabilità ambientale.

Le parti in nylon stampate in 3D SLS sono resistenti, rigide, robuste e durevoli. I terminali sono resistenti agli urti e possono resistere all’usura ripetuta. Il nylon è resistente ai raggi UV, alla luce, al calore, all’umidità, ai solventi, alla temperatura e all’acqua. Le parti in nylon stampate in 3D possono anche essere biocompatibili e non sensibilizzanti, quindi possono essere utilizzate nella tecnologia indossabile e sono sicure da usare in molti contesti.

Il nylon è un polimero termoplastico sintetico che appartiene alla famiglia delle poliammidi. È disponibile in più varianti, ognuna adattata a diverse applicazioni. Nylon 12 Powder è la polvere per uso generico più popolare per la stampa 3D SLS, che offre versatilità e un’ampia gamma di applicazioni.

Nylon 12 GF Powder è un materiale con particelle di vetro, rigidità migliorata e maggiore stabilità termica per ambienti industriali esigenti. La polvere di nylon 11 riempie la nicchia per la prototipazione e le applicazioni finali che richiedono maggiore duttilità, resistenza agli urti e capacità di resistere all’usura senza fratture fragili.

Nylon 11

Un materiale duttile, resistente e flessibile per quando la durata e le prestazioni contano di più.

• Prototipi, guide e fissaggi resistenti agli urti
• Coperture e condotti a parete sottile
• Scatti, clip e cerniere
• Dispositivi ortesi e protesici*

Nylon 12

Un materiale versatile per tutti gli usi che offre un elevato livello di dettaglio e precisione dimensionale.

• Prototipi ad alte prestazioni
• Produzione in piccoli lotti
• Guide, infissi e infissi permanenti
• Parti generali SLS

Polvere di nylon 12 GF

Un materiale con particelle di vetro, rigidità migliorata e maggiore stabilità termica per ambienti industriali esigenti.

• Guide robuste, fissaggi e pezzi di ricambio
• Parti caricate continuamente
• Fili e prese
• Parti soggette ad alte temperature

* Le proprietà dei materiali possono variare in base alla progettazione delle parti e ai metodi di produzione. È responsabilità del produttore determinare l’idoneità delle parti stampate per l’uso previsto.

Proprietà dei materiali in nylon per SLS

MATERIALE	NYLON 12 POLVERE DE FORMLABS	NYLON 12 GF POLVERE DE FORMLABS	NYLON 11 POLVERE DE FORMLABS
carico di rottura per trazione	50 MPa	38 MPa	49 MPa
modulo di trazione	1850 MPa	2800 MPa	1573 MPa
Allungamento a rottura X/Y (%)	11 %	4%	40 %
Allungamento alla rottura Z (%)	6%	3%	N / A
Resilienza IZOD su misura	32 J/m	36 J/m	71 J/m
Temperatura di piegatura sotto carico a 1,8 MPa (°C)	87°C	113°C	46°C
Temperatura di piegatura sotto carico a 0,45 MPa	170°C	171°C	182°C

Nylon 12 Powder e Nylon 11 Powder sono polveri monocomponenti, ma alcune stampanti 3D SLS possono anche utilizzare polveri bicomponenti, come polveri rivestite o miscele di polveri.

Nylon 12 GF Powder è un composto con particelle di vetro, mentre altri composti con alluminuro o carbonio sono sviluppati per ottimizzare le parti in modo che offrano maggiore resistenza, rigidità o flessibilità. Con queste polveri bicomponenti viene sinterizzato solo il componente con il punto di transizione vetrosa più basso, unendo i due componenti.

Applicazioni della stampa 3D di SLS

La stampa 3D SLS accelera l’innovazione e guida il business in molti settori, tra cui ingegneria, produzione e assistenza sanitaria.

Ingegneria

Assumi il controllo dell’intero processo di sviluppo del prodotto, dalle iterazioni del tuo primo concept design alla produzione di prodotti pronti per l’uso.

• Prototipazione rapida
• Simulazione di prodotti per raccogliere le opinioni dei clienti
• Prototipi funzionali
• Test funzionali rigorosi dei prodotti (es. tubi, supporti)

Produzione

Controlla la tua catena di approvvigionamento e rispondi rapidamente ai cambiamenti della domanda:

• Produzione per uso finale
• Produzione in piccoli lotti
• Produzione in serie di nuovi prodotti di consumo personalizzati
• Produzione di pezzi di ricambio, integrità della filiera
• Elementi di fissaggio e fissaggi durevoli (ad es. impugnature e morsetti) e strumenti
• Ricambi personalizzati per auto e moto, equipaggiamento marittimo, rifornimenti militari su richiesta

Applicazioni sanitarie

Produce in loco dispositivi medici personalizzati per i pazienti, pronti per l’uso:

• Prototipi di dispositivi medici
• Protesi e plantari (arti sostitutivi e tutori)
• Modelli e strumenti chirurgici
• Parti di uso finale (la polvere di nylon 12 è biocompatibile e sterilizzabile*)

*Le proprietà dei materiali possono variare in base alla progettazione delle parti e ai metodi di produzione. È responsabilità del produttore determinare l’idoneità delle parti stampate per l’uso previsto.

Il flusso di lavoro di stampa 3D SLS

1. Progettazione e preparazione del file

Utilizza qualsiasi software CAD (Computer Aided Design) o dati di scansione 3D per progettare il tuo modello ed esportarlo in un formato di file stampabile 3D (STL o OBJ). Tutte le stampanti SLS includono un software per specificare le impostazioni di stampa, orientare e disporre i modelli, stimare il tempo di stampa e sovrapporre il modello digitale per la stampa. Al termine della configurazione, il software di preparazione della stampa invia le istruzioni alla stampante tramite una connessione cablata o wireless.

2. Preparazione della stampante

Il flusso di lavoro per preparare la stampante varia a seconda del sistema. La maggior parte dei sistemi di stampa SLS tradizionali richiede una formazione, strumenti e uno sforzo fisico considerevoli per la configurazione e la manutenzione.

LAB X2-2 riprogetta il flusso di lavoro SLS per renderlo più semplice ed efficiente, con componenti modulari che consentono una stampa senza interruzioni e un controllo completo della polvere.

3. Stampa

Una volta completati tutti i controlli pre-stampa, la macchina è pronta per stampare. Le stampe 3D SLS possono richiedere da poche ore a diversi giorni, a seconda delle dimensioni, della complessità e della densità delle parti.

Una volta completata una stampa, la camera di costruzione dovrebbe raffreddarsi leggermente nell’involucro di costruzione prima di procedere al passaggio successivo. Successivamente, è possibile rimuovere la camera di stampa dalla stampante e inserirne una nuova per un’altra stampa. La camera di costruzione deve essere raffreddata prima della post-finitura per garantire proprietà meccaniche ottimali e prevenire la deformazione delle parti. Questa operazione può richiedere fino alla metà del tempo di stampa.

4. Recupero pezzi e post-finitura

La post-finitura delle parti SLS richiede tempo e manodopera minimi rispetto ad altri processi di stampa 3D. È facile da ridimensionare ed espandere e produce risultati coerenti su lotti di parti grazie alla mancanza di strutture di supporto.

Al termine di una stampa, le parti finite devono essere rimosse dalla camera di costruzione, separate e pulite dalla polvere in eccesso. Questo processo viene solitamente completato manualmente in una stazione di pulizia dell’aria compressa o in una granigliatrice.

Dopo aver recuperato il pezzo, la polvere in eccesso rimanente viene filtrata per rimuovere le particelle più grandi e riciclarle. La polvere non fusa si degrada leggermente se esposta a temperature elevate, quindi dovrebbe essere rinfrescata con nuovo materiale per l’uso in altre stampe. La possibilità di riutilizzare il materiale per altre stampe rende la stampa SLS uno dei metodi di produzione meno dispendiosi.

Una tendenza comune nel settore SLS è quella di offrire dispositivi separati per il recupero, lo stoccaggio e la miscelazione delle polveri. Nel processo di lavoro LAB X2-2, la gestione dell’estrazione dei pezzi e delle polveri non sinterizzate, oltre allo stoccaggio, dosaggio e miscelazione dei flussi, avviene attraverso un unico dispositivo: il LAB H5.

5. Posacabado aggiuntivo

Le parti stampate in 3D SLS sono pronte per l’uso dopo il filtraggio con il setaccio fusibili. Tuttavia, ci sono altre fasi di post-finitura che possono essere prese in considerazione per le parti sinterizzate al laser selettive.

Per natura, le parti stampate in 3D SLS hanno una finitura granulosa. 3d-type consiglia di sabbiare o lucidare le parti SLS per una finitura superficiale più liscia. Le parti possono essere verniciate a spruzzo, verniciate, zincate e rivestite per ottenere vari colori, finiture e proprietà, come impermeabilità (rivestimento) e conduttività (zincatura). Le parti 3d-type SLS sono scure, quindi non sono ideali per la colorazione.

Perché dovresti scegliere la stampa 3D SLS?

Ingegneri e fabbricanti scelgono la sinterizzazione laser selettiva per la libertà di progettazione, l’elevata produttività e produttività, il basso costo per parte e i materiali comprovati per l’uso finale.

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 specifiche per realizzare progetti di proiezione.

La sinterizzazione laser selettiva non richiede strutture di supporto perché la polvere non sinterizzata circonda le parti durante la stampa. La stampa 3D SLS semplifica la stampa di proiezioni o sporgenze, geometrie complesse, parti intersecanti, canali interni e altri progetti complessi.

Gli ingegneri in genere progettano le parti tenendo presente le capacità del processo di produzione finale, noto anche come design-for-manufacturing (DFM). Quando la produzione additiva viene utilizzata solo per la prototipazione, è limitata a parti e progetti che possono essere riprodotti durante la produzione con strumenti di produzione convenzionali.

Ora che la sinterizzazione laser selettiva sta diventando un metodo di produzione rapido e praticabile per un numero crescente di applicazioni finali, potrebbe aprire nuove possibilità di progettazione e produzione. Le stampanti 3D SLS possono produrre geometrie complesse che sono impossibili o proibitivamente costose da produrre utilizzando i processi tradizionali. SLS offre inoltre ai progettisti la possibilità di consolidare assiemi complessi che normalmente richiederebbero più parti in un’unica parte. Questo aiuta a ridurre il carico sui giunti deboli e riduce i tempi di assemblaggio.

La sinterizzazione laser selettiva può sfruttare appieno la progettazione generativa consentendo progetti leggeri che utilizzano reticoli complessi che sarebbero impossibili da fabbricare con i metodi tradizionali.

Alta produttività e prestazioni

La stampa SLS è la tecnologia di produzione additiva più veloce per la creazione di prototipi funzionali e durevoli e parti di uso finale. I laser a polvere hanno una velocità di scansione molto più elevata e sono più accurati dei metodi di deposizione a strati utilizzati in altri processi come la stampa FDM industriale.

Inoltre, le parti possono essere posizionate durante la stampa in modo da massimizzare lo spazio disponibile su ciascuna macchina. Gli operatori utilizzano il software per ottimizzare ogni stampa per la massima produttività lasciando solo uno spazio minimo tra le parti.

Materiali provati per l’uso finale

La chiave della funzionalità e versatilità della stampa 3D SLS risiede nei materiali. Il nylon e i suoi composti sono termoplastici di alta qualità e collaudati. Le parti in nylon sinterizzato al laser hanno una densità quasi del 100% con proprietà meccaniche paragonabili alle parti ottenute con metodi di produzione convenzionali come lo stampaggio a iniezione.

Il nylon SLS è un eccellente sostituto delle comuni plastiche stampate a iniezione. Offre fissaggi a clip e giunti meccanici di migliore qualità rispetto a qualsiasi altra tecnologia di produzione additiva. È ideale per applicazioni funzionali che richiedono parti in plastica durevoli in cui le parti realizzate con altri metodi di produzione additiva si degraderebbero e si romperebbero nel tempo.

Basso costo per pezzo

In generale, per calcolare il costo per pezzo, è necessario tenere conto del costo delle attrezzature, dei materiali e della manodopera disponibili:

• Costo di proprietà dell’attrezzatura: maggiore è il numero di parti che una macchina può produrre nel corso della sua vita, minore è il costo per singola parte. Di conseguenza, una maggiore produttività si accompagna a un minor costo di proprietà dell’attrezzatura calcolato dal costo di ciascuna parte. Tenendo conto della velocità della scansione laser, del posizionamento delle parti per massimizzare la stampabilità e del facile processo di post-finitura, la stampa 3D SLS offre il più alto tasso di produttività e produttività di tutte le tecniche di produzione additiva.
• Materiale: mentre la maggior parte delle tecnologie di stampa 3D utilizza materiali proprietari, il nylon è un materiale termoplastico comune prodotto in grandi quantità per usi industriali, il che lo rende una delle materie prime meno costose per la produzione additiva. Poiché la stampa 3D SLS non richiede strutture di supporto e consente di stampare con polvere riciclata, il processo produce scarti minimi.
• Manodopera: il tallone d’Achille di molte soluzioni di stampa 3D è la manodopera. La maggior parte dei metodi implica processi di lavoro complessi, difficili da automatizzare e che possono avere un impatto significativo sul costo per pezzo. La stampa SLS comporta un semplice processo di post-finitura, quindi è meno laboriosa e facile da scalare.

Una stampante 3D SLS è un investimento iniziale pesante, ma quell’investimento spesso si ripaga ancora più velocemente che con macchine più piccole. Job SLS riduce questa spesa, così come il costo per parte per la maggior parte delle applicazioni.

L’affidamento della produzione a fornitori di servizi è consigliato quando la tua azienda richiede la stampa 3D solo occasionalmente, ma comporta anche costi più elevati e lunghi tempi di produzione. Uno dei maggiori vantaggi della stampa 3D è la sua velocità, rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Tale velocità rallenta rapidamente quando una parte esternalizzata impiega una o diverse settimane per arrivare.

Cicli di sviluppo prodotto ridotti

La sinterizzazione laser selettiva consente agli ingegneri di prototipare le parti nelle prime fasi del ciclo di progettazione. Quindi possono utilizzare la stessa macchina e materiale per produrre parti di uso finale. La stampa 3D SLS non richiede gli stessi strumenti costosi e dispendiosi in termini di tempo che comporta la produzione tradizionale, quindi le parti e gli assiemi del prototipo possono essere facilmente testati e modificati in un periodo di pochi giorni. Questa possibilità riduce notevolmente i tempi di sviluppo del prodotto.

Dato il basso costo per parte e l’uso di materiali durevoli, la stampa SLS è un modo conveniente per produrre parti complesse e personalizzate o serie di piccoli componenti per i prodotti finali. In molti casi, la sinterizzazione laser è un’alternativa economica allo stampaggio a iniezione per la produzione limitata o il lancio rapido di prodotti (nota come produzione di ponti).

Scopri la stampante 3D SLS LAB X2-2

Finora, le stampanti 3D SLS industriali erano proibitive in termini di costi per la maggior parte delle aziende, con una singola macchina che costava fino a € 100.000.

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Il LAB X2-2 è arrivato per aprire una nuova fase di produzione indipendente e prototipazione.