Селективное лазерное спекание

Машина SLS используется в Центре пескисас Ренато Арчер в Бразилии .

Селективное лазерное спекание ( SLS ) — это метод аддитивного производства (AM), который использует лазер в качестве источника энергии и тепла для спекания порошкового материала (обычно нейлона или полиамида направляя лазер ), автоматически на точки в пространстве, определенные 3D-моделью , связывая материал вместе, чтобы создать прочную структуру. ^[1]^[2]^[3] Это похоже на селективное лазерное плавление ; эти два варианта являются воплощениями одной и той же концепции, но различаются техническими деталями. SLS (как и другие упомянутые методы AM) — относительно новая технология, которая до сих пор в основном использовалась для быстрого прототипирования и мелкосерийного производства комплектующих. Производственные роли расширяются по мере улучшения коммерциализации технологии AM.

История

Селективное лазерное спекание (SLS) было разработано и запатентовано доктором Карлом Декардом и научным руководителем доктором Джо Биманом в Техасском университете в Остине в середине 1980-х годов при спонсорской поддержке DARPA . ^[4] Декард и Биман участвовали в создании новой компании Desk Top Manufacturing (DTM) Corp, созданной для проектирования и производства машин SLS. В 2001 году компания 3D Systems, крупнейший конкурент DTM Corp. и технологии SLS, приобрела DTM Corp. ^[5] Последний патент на технологию SLS компании Deckard был выдан 28 января 1997 г., срок его действия истек 28 января 2014 г. ^[6]

Похожий процесс был запатентован, но не был коммерциализирован РФ Хаусхолдером в 1979 году. ^[7]

Поскольку SLS требует использования мощных лазеров, его часто слишком дорого, не говоря уже о том, что, возможно, слишком опасно использовать в домашних условиях. Связанные с этим расходы и потенциальная опасность SLS-печати из-за отсутствия коммерчески доступных лазерных систем с защитными кожухами класса 1 означают, что внутренний рынок SLS-печати не так велик, как рынок других технологий аддитивного производства, таких как моделирование плавленым осаждением ( ФДМ).

Технология

Технология слоев аддитивного производства, SLS, предполагает использование мощного лазера (например, лазера на углекислом газе ) для плавления мелких частиц пластика , металла , керамики или стеклянных порошков в массу, имеющую желаемую трехмерную форму. Лазер выборочно плавит порошковый материал путем сканирования поперечных сечений, созданных на основе трехмерного цифрового описания детали (например, из файла САПР или данных сканирования) на поверхности слоя порошка. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка опускают на одну толщину слоя, сверху наносят новый слой материала и процесс повторяют до тех пор, пока деталь не будет завершена. ^[8]

Поскольку плотность готовых деталей зависит от пиковой мощности лазера, а не от его продолжительности, в машинах SLS обычно используется импульсный лазер . Установка SLS предварительно нагревает сыпучий порошковый материал в слое порошка несколько ниже его точки плавления, чтобы лазеру было легче поднять температуру выбранных областей до конца пути до точки плавления. ^[9]

В отличие от SLA и FDM, которые чаще всего требуют специальных опорных конструкций для изготовления нависающих конструкций, SLS не нуждается в отдельном питателе для опорного материала, поскольку конструируемая деталь всегда окружена неспеченным порошком. Это позволяет строить ранее невозможные геометрии. Кроме того, поскольку камера машины всегда заполнена порошковым материалом, изготовление нескольких деталей оказывает гораздо меньшее влияние на общую сложность и стоимость конструкции, поскольку благодаря методу, известному как « нестинг », при котором несколько деталей можно расположить так, чтобы они поместились внутри. границы машины. Однако следует учитывать один аспект конструкции: с помощью SLS «невозможно» изготовить полый, но полностью закрытый элемент. Это связано с тем, что неспеченный порошок внутри элемента не мог быть слит.

Поскольку срок действия патентов истекает, стало возможным создание доступных домашних принтеров, но процесс нагрева по-прежнему остается препятствием: потребляемая мощность достигает 5 кВт, а температуру приходится контролировать в пределах 2 °C на трех этапах предварительного нагрева, плавления и хранение перед удалением. [1] Архивировано 28 апреля 2015 г. на Wayback Machine.

Материалы

Качество печатных структур зависит от различных факторов, включая свойства порошка, такие как размер и форма частиц, плотность, шероховатость и пористость. ^[10] Кроме того, распределение частиц и их термические свойства сильно влияют на сыпучесть порошка. ^[11]

Коммерчески доступные материалы, используемые в SLS, выпускаются в форме порошка и включают, помимо прочего, полимеры, такие как полиамиды (PA), полистиролы (PS), термопластичные эластомеры (TPE) и полиарилэфиркетоны (PAEK). ^[12] Полиамиды являются наиболее часто используемыми материалами SLS из-за их идеальных свойств при спекании как полукристаллических термопластов , в результате чего получаются детали с желаемыми механическими свойствами. ^[13] Поликарбонат (ПК) представляет большой интерес для SLS из-за его высокой прочности, термической стабильности и огнестойкости; однако такие аморфные полимеры, обработанные SLS, имеют тенденцию давать детали с пониженными механическими свойствами, точностью размеров и, таким образом, ограничиваются применениями, где они не имеют большого значения. ^[13] Металлические материалы обычно не используются в SLS с момента разработки селективного лазерного плавления .

Производство порошков

Частицы порошка обычно получают путем криогенного измельчения в шаровой мельнице при температурах значительно ниже температуры стеклования материала, чего можно достичь, запуская процесс измельчения с добавлением криогенных материалов, таких как сухой лед (сухое измельчение) или смесей жидкостей. азот и органические растворители (мокрое измельчение). ^[14] всего пять микрон . В результате этого процесса могут быть получены частицы сферической или неправильной формы диаметром ^[14] Распределение частиц порошка по размерам обычно является гауссовым и находится в диапазоне от 15 до 100 микрон в диаметре, хотя его можно настроить в соответствии с различной толщиной слоя в процессе SLS. ^[15] Покрытия на основе химических связующих можно наносить на порошковые поверхности после обработки; ^[16] эти покрытия способствуют процессу спекания и особенно полезны для формирования деталей из композитных материалов, например, с частицами оксида алюминия, покрытыми термореактивной эпоксидной смолой . ^[15]

Механизмы спекания

Диаграмма, показывающая образование шейки в двух спеченных частицах порошка. Исходные формы показаны красным цветом.

Спекание в SLS в основном происходит в жидком состоянии, когда частицы порошка образуют слой микрорасплава на поверхности, что приводит к снижению вязкости и образованию вогнутой радиальной перемычки между частицами, известной как образование шейки. ^[16] из-за реакции материала на снижение поверхностной энергии. В случае порошков с покрытием целью лазера является расплавление поверхностного покрытия, которое будет действовать как связующее. Спекание в твердом состоянии также является способствующим фактором, хотя и с гораздо меньшим влиянием, и происходит при температурах ниже температуры плавления материала. Основной движущей силой этого процесса снова является реакция материала на понижение состояния его свободной энергии, что приводит к диффузии молекул между частицами.

Приложения

Технология SLS широко используется во многих отраслях промышленности по всему миру благодаря ее способности легко создавать изделия сложной геометрии практически без дополнительных производственных усилий. Его наиболее распространенное применение - прототипы деталей на ранних этапах цикла проектирования , например, модели для литья по выплавляемым моделям, автомобильное оборудование и аэродинамических труб модели . SLS также все чаще используется в ограниченном производстве для производства деталей для конечного использования в аэрокосмической, военной, ^[17] медицинские, фармацевтические , ^[18] и электронное оборудование. В цехах SLS можно использовать для быстрого изготовления инструментов, приспособлений и приспособлений . ^[19]

Преимущества

Слой спеченного порошка является полностью самонесущим, что позволяет:
- большие углы нависания (от 0 до 45 градусов от горизонтальной плоскости)
- сложная геометрия, встроенная глубоко в детали, например, конформные каналы охлаждения.
- серийное производство нескольких деталей, изготовленных в 3D-массивах, процесс, называемый раскроем
Детали обладают высокой прочностью и жесткостью.
Хорошая химическая стойкость
Различные возможности отделки (например, металлизация, эмалирование в печи, виброшлифование, окраска ванны, склеивание, порошковое покрытие, флокирование)
Биосовместимость согласно EN ISO 10993-1. ^[20] и USP/уровень VI/121 °C
Сложные детали с внутренними компонентами можно создавать без захвата материала внутри и изменения поверхности из-за удаления опоры.
Самый быстрый процесс аддитивного производства для печати функциональных, долговечных прототипов или деталей для конечных пользователей.
Широкий выбор материалов с характеристиками прочности, долговечности и функциональности.
Благодаря надежным механическим свойствам детали часто могут заменить обычные пластмассы, полученные литьем под давлением.

Недостатки

детали имеют пористую поверхность; их можно герметизировать несколькими различными методами последующей обработки, такими как цианакрилатные покрытия, ^[21] или горячим изостатическим прессованием .

См. также

3D printing
Производство настольных компьютеров
Цифровой производитель
Прямое цифровое производство
Фаблаб
Моделирование наплавленным осаждением (FDM)
Мгновенное производство , также известное как прямое производство или производство по требованию.
Быстрое производство
Быстрое прототипирование
РепРап Проект
Твердое изготовление произвольной формы
Стереолитография (SLA)
Универсальный конструктор фон Неймана

Ссылки

^ Лекурвале, Срушти; Каранвад, Тукарам; Банерджи, Субхам (1 июня 2022 г.). «Селективное лазерное спекание (SLS) 3D-принтеров с использованием 3D-принтера, состоящего из ИК-лазера/красного диодного лазера» . Анналы 3D-печатной медицины . 6 : 100054. doi : 10.1016/j.stlm.2022.100054 . ISSN 2666-9641 . S2CID 247040011 .
^ Авад, Атир; Фина, Фабрицио; Гойанес, Альваро; Гейсфорд, Саймон; Басит, Абдул В. (01 июля 2021 г.). «Достижения в области 3D-печати с помощью порошкового синтеза в сфере доставки лекарств и здравоохранения» . Обзоры расширенной доставки лекарств . 174 : 406–424. дои : 10.1016/j.addr.2021.04.025 . ISSN 0169-409X . ПМИД 33951489 . S2CID 233869672 .
^ Чару, Насим А.; Барах Али, Согра Ф.; Мохамед, Эман М.; Куттоламадом, Мэтью А.; Озкан, Танил; Хан, Мансур А.; Рахман, Зияур (2 июня 2020 г.). «Селективное лазерное спекание 3D-печати – обзор технологии и фармацевтического применения» . Разработка лекарств и промышленная фармация . 46 (6): 869–877. дои : 10.1080/03639045.2020.1764027 . ISSN 0363-9045 . ПМИД 32364418 . S2CID 218490148 .
^ Декард, К., «Метод и устройство для производства деталей путем селективного спекания», патент США 4,863,538 , подан 17 октября 1986 г., опубликован 5 сентября 1989 г.
↑ Лу, Алекс и Гросвенор, Кэрол « Селективное лазерное спекание, рождение индустрии », Техасский университет , 7 декабря 2012 г. Проверено 22 марта 2013 г.
^ US5597589
↑ Хаусхолдер, Р., «Процесс формования», патент США № 4 247 508 , подан 3 декабря 1979 г., опубликован 27 января 1981 г.
^ «Руководство по проектированию: селективное лазерное спекание (SLS)» (PDF) . Ксометрия .
^ Прасад КДВ Ярлагадда; С. Нараянан (февраль 2005 г.). GCMM 2004: 1-я Международная конференция по производству и менеджменту . Alpha Science Int'l. стр. 73–. ISBN 978-81-7319-677-5 . Проверено 18 июня 2011 г.
^ Летурия, М.; Бенали, М.; Лагард, С.; Ронга, И.; Салех, К. (01 февраля 2014 г.). «Характеристика текучести когезионных порошков: сравнительное исследование традиционных и новых методов испытаний» . Порошковая технология . 253 : 406–423. дои : 10.1016/j.powtec.2013.11.045 . ISSN 0032-5910 .
^ Леу, Мин К.; Паттнаик, Шашваташиш; Хилмас, Грегори Э. (март 2012 г.). «Исследование метода лазерного спекания для изготовления деталей произвольной формы из диборида циркония» . Виртуальное и физическое прототипирование . 7 (1): 25–36. дои : 10.1080/17452759.2012.666119 . ISSN 1745-2759 . S2CID 137566316 .
^ «Высококачественные пластмассы для аддитивного производства» . www.eos.info . Проверено 19 февраля 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б Клоос, Стефани; Деше, Максимилиан А.; Пойкерт, Вольфганг; Шмидт, Йохен (июль 2018 г.). «Производство сферических полукристаллических микрочастиц поликарбоната для аддитивного производства методом разделения фаз жидкость-жидкость» . Порошковая технология . 335 : 275–284. дои : 10.1016/j.powtec.2018.05.005 . ISSN 0032-5910 . S2CID 103342613 .
^ Jump up to: ^а ^б Шмидт, Йохен; Плата, Мигель; Трегер, Сулай; Пойкерт, Вольфганг (сентябрь 2012 г.). «Производство полимерных частиц размером менее 5 мкм путем мокрого измельчения». Порошковая технология . 228 : 84–90. дои : 10.1016/j.powtec.2012.04.064 . ISSN 0032-5910 .
^ Jump up to: ^а ^б Ян, Цюпин; Ли, Хуэйчжи; Чжай, Юбо; Ли, Сяофэн; Чжан, Пэйчжи (13 августа 2018 г.). «Синтез композитов Al2O3 с покрытием из эпоксидной смолы для 3D-печати селективного лазерного спекания». Журнал быстрого прототипирования . 24 (6): 1059–1066. дои : 10.1108/rpj-09-2017-0189 . ISSN 1355-2546 . S2CID 139324761 .
^ Jump up to: ^а ^б Крут, JP.; Мерселис, П.; Ван Веренберг, Дж.; Фройен, Л.; Ромбаутс, М. (февраль 2005 г.). «Механизмы связывания при селективном лазерном спекании и селективном лазерном плавлении» . Журнал быстрого прототипирования . 11 (1): 26–36. дои : 10.1108/13552540510573365 . ISSN 1355-2546 . S2CID 53130687 .
^ Ислам, Мухаммед Камрул; Хэзелл, Пол Дж.; Эскобедо, Хуан П.; Ван, Хунсюй (июль 2021 г.). «Стратегии проектирования биомиметической брони для аддитивного производства: обзор» . Материалы и дизайн . 205 : 109730. doi : 10.1016/j.matdes.2021.109730 .
^ Тренфилд, Сара Дж.; Авад, Атир; Гойанес, Альваро; Гейсфорд, Саймон; Басит, Абдул В. (май 2018 г.). «3D-печать фармацевтических препаратов: разработка лекарств для оказания первой помощи» . Тенденции в фармакологических науках . 39 (5): 440–451. дои : 10.1016/j.tips.2018.02.006 . ISSN 0165-6147 . ПМИД 29534837 . S2CID 3845926 .
^ «Обзор применений селективного лазерного спекания | Quickparts» . www.3dsystems.com . Архивировано из оригинала 08 апреля 2019 г. Проверено 25 февраля 2019 г.
^ Биологическая оценка медицинских изделий. Часть 1. Оценка и тестирование в рамках процесса управления рисками (ISO 10993-1:2009) . Международная организация по стандартизации (ISO). 2009. OCLC 839985896 .
^ «Селективное лазерное спекание (SLS) Миссиссога | SLS спекание» .

Внешние ссылки

[1] Лекурвале, Срушти; Каранвад, Тукарам; Банерджи, Субхам (1 июня 2022 г.). «Селективное лазерное спекание (SLS) 3D-принтеров с использованием 3D-принтера, состоящего из ИК-лазера/красного диодного лазера» . Анналы 3D-печатной медицины . 6 : 100054. doi : 10.1016/j.stlm.2022.100054 . ISSN 2666-9641 . S2CID 247040011 .

[2] Авад, Атир; Фина, Фабрицио; Гойанес, Альваро; Гейсфорд, Саймон; Басит, Абдул В. (01 июля 2021 г.). «Достижения в области 3D-печати с помощью порошкового синтеза в сфере доставки лекарств и здравоохранения» . Обзоры расширенной доставки лекарств . 174 : 406–424. дои : 10.1016/j.addr.2021.04.025 . ISSN 0169-409X . ПМИД 33951489 . S2CID 233869672 .

[3] Чару, Насим А.; Барах Али, Согра Ф.; Мохамед, Эман М.; Куттоламадом, Мэтью А.; Озкан, Танил; Хан, Мансур А.; Рахман, Зияур (2 июня 2020 г.). «Селективное лазерное спекание 3D-печати – обзор технологии и фармацевтического применения» . Разработка лекарств и промышленная фармация . 46 (6): 869–877. дои : 10.1080/03639045.2020.1764027 . ISSN 0363-9045 . ПМИД 32364418 . S2CID 218490148 .

[4] Декард, К., «Метод и устройство для производства деталей путем селективного спекания», патент США 4,863,538 , подан 17 октября 1986 г., опубликован 5 сентября 1989 г.

[5] Лу, Алекс и Гросвенор, Кэрол « Селективное лазерное спекание, рождение индустрии », Техасский университет , 7 декабря 2012 г. Проверено 22 марта 2013 г.

[6] US5597589

[7] Хаусхолдер, Р., «Процесс формования», патент США № 4 247 508 , подан 3 декабря 1979 г., опубликован 27 января 1981 г.

[8] «Руководство по проектированию: селективное лазерное спекание (SLS)» (PDF) . Ксометрия .

[Yarlagadda-9] Прасад КДВ Ярлагадда; С. Нараянан (февраль 2005 г.). GCMM 2004: 1-я Международная конференция по производству и менеджменту . Alpha Science Int'l. стр. 73–. ISBN 978-81-7319-677-5 . Проверено 18 июня 2011 г.

[10] Летурия, М.; Бенали, М.; Лагард, С.; Ронга, И.; Салех, К. (01 февраля 2014 г.). «Характеристика текучести когезионных порошков: сравнительное исследование традиционных и новых методов испытаний» . Порошковая технология . 253 : 406–423. дои : 10.1016/j.powtec.2013.11.045 . ISSN 0032-5910 .

[11] Леу, Мин К.; Паттнаик, Шашваташиш; Хилмас, Грегори Э. (март 2012 г.). «Исследование метода лазерного спекания для изготовления деталей произвольной формы из диборида циркония» . Виртуальное и физическое прототипирование . 7 (1): 25–36. дои : 10.1080/17452759.2012.666119 . ISSN 1745-2759 . S2CID 137566316 .

[12] «Высококачественные пластмассы для аддитивного производства» . www.eos.info . Проверено 19 февраля 2019 г.

[:0-13] Jump up to: ^а ^б Клоос, Стефани; Деше, Максимилиан А.; Пойкерт, Вольфганг; Шмидт, Йохен (июль 2018 г.). «Производство сферических полукристаллических микрочастиц поликарбоната для аддитивного производства методом разделения фаз жидкость-жидкость» . Порошковая технология . 335 : 275–284. дои : 10.1016/j.powtec.2018.05.005 . ISSN 0032-5910 . S2CID 103342613 .

[:1-14] Jump up to: ^а ^б Шмидт, Йохен; Плата, Мигель; Трегер, Сулай; Пойкерт, Вольфганг (сентябрь 2012 г.). «Производство полимерных частиц размером менее 5 мкм путем мокрого измельчения». Порошковая технология . 228 : 84–90. дои : 10.1016/j.powtec.2012.04.064 . ISSN 0032-5910 .

[:2-15] Jump up to: ^а ^б Ян, Цюпин; Ли, Хуэйчжи; Чжай, Юбо; Ли, Сяофэн; Чжан, Пэйчжи (13 августа 2018 г.). «Синтез композитов Al2O3 с покрытием из эпоксидной смолы для 3D-печати селективного лазерного спекания». Журнал быстрого прототипирования . 24 (6): 1059–1066. дои : 10.1108/rpj-09-2017-0189 . ISSN 1355-2546 . S2CID 139324761 .

[:3-16] Jump up to: ^а ^б Крут, JP.; Мерселис, П.; Ван Веренберг, Дж.; Фройен, Л.; Ромбаутс, М. (февраль 2005 г.). «Механизмы связывания при селективном лазерном спекании и селективном лазерном плавлении» . Журнал быстрого прототипирования . 11 (1): 26–36. дои : 10.1108/13552540510573365 . ISSN 1355-2546 . S2CID 53130687 .

[17] Ислам, Мухаммед Камрул; Хэзелл, Пол Дж.; Эскобедо, Хуан П.; Ван, Хунсюй (июль 2021 г.). «Стратегии проектирования биомиметической брони для аддитивного производства: обзор» . Материалы и дизайн . 205 : 109730. doi : 10.1016/j.matdes.2021.109730 .

[18] Тренфилд, Сара Дж.; Авад, Атир; Гойанес, Альваро; Гейсфорд, Саймон; Басит, Абдул В. (май 2018 г.). «3D-печать фармацевтических препаратов: разработка лекарств для оказания первой помощи» . Тенденции в фармакологических науках . 39 (5): 440–451. дои : 10.1016/j.tips.2018.02.006 . ISSN 0165-6147 . ПМИД 29534837 . S2CID 3845926 .

[19] «Обзор применений селективного лазерного спекания | Quickparts» . www.3dsystems.com . Архивировано из оригинала 08 апреля 2019 г. Проверено 25 февраля 2019 г.

[20] Биологическая оценка медицинских изделий. Часть 1. Оценка и тестирование в рамках процесса управления рисками (ISO 10993-1:2009) . Международная организация по стандартизации (ISO). 2009. OCLC 839985896 .

[21] «Селективное лазерное спекание (SLS) Миссиссога | SLS спекание» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

v т и 3D printing technologies
Resin photopolymerization	Stereolithography Computed axial lithography Continuous liquid interface production Solid ground curing
Material extrusion	Fused filament fabrication Robocasting EAM of metals and ceramics
Powder bed binding/fusion	Powder bed and inkjet head 3D printing Electron beam melting Selective heat sintering Selective laser melting Selective laser sintering
Sheet lamination	Laminated object manufacturing Ultrasonic consolidation
Directed energy deposition	Electron beam freeform fabrication Laser metal deposition Laser engineered net shaping
Building printing	Contour crafting
Related topics	3D printing processes 3D printing marketplace Digital modeling and fabrication Distributed manufacturing Rapid prototyping RepRap project 3D bioprinting

v т и Лазеры
List of laser articles List of laser types List of laser applications Laser acronyms
Types of lasers	Chemical laser Dye laser Bubble Liquid-crystal Gas laser Carbon dioxide Excimer Helium–neon Ion Nitrogen Free-electron laser Laser diode Solid-state laser Er:YAG Nd:YAG Raman Ruby Ti-sapphire X-ray laser
Laser physics	Active laser medium Amplified spontaneous emission Continuous wave Laser ablation Laser linewidth Lasing threshold Population inversion Ultrashort pulse
Laser optics	Beam expander Beam homogenizer Chirped pulse amplification Gain-switching Gaussian beam Injection seeder Laser beam profiler M squared Mode locking Multiple-prism grating laser oscillator Optical amplifier Optical cavity Optical isolator Output coupler Q-switching
Category