Sinterizado Láser Selectivo (SLS): tecnologías de vanguardia, materiales avanzados y aplicaciones en expansión

[Crédito imagen: 3D Hubs]

El Sinterizado Láser Selectivo (SLS) es una de las tecnologías de impresión 3D de polímeros más populares para aplicaciones industriales. Desde su aparición hace más de 30 años, el SLS ha madurado gradualmente hasta convertirse en tecnología capaz de prototipado funcional y, más recientemente, también de producción.

Impulsando esta evolución está la innovación continua en hardware y materiales, así como la disposición de adoptantes de tecnología para desarrollar nuevas aplicaciones SLS.

En el artículo de hoy, examinaremos los desarrollos recientes en SLS, para aprender más sobre las capacidades actuales y oportunidades futuras de la tecnología.

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Breve historia del SLS

El sinterizado láser usa un láser de alta potencia para fusionar materiales en polvo capa a capa. Uno de los principales beneficios de usar impresión SLS es que sus diseños no necesitan estructura de soporte. A medida que la impresión se construye, todos los huecos se llenan automáticamente con polvo sin usar, haciendo las impresiones SLS auto-soportadas.

Aunque el concepto de impresión SLS se concibió originalmente a principios de los 80, no fue hasta 1992 que la primera impresora industrial SLS se comercializó —la Sinterstation 2000 de DTM (posteriormente fusionada con 3D Systems). Le siguió la EOSINT P350 de EOS en 1994.

Desde entonces, una amplia (y creciente) gama de máquinas entró al mercado, marcando el inicio de la era de impresión más rápida y a gran escala en contexto industrial.

Desarrollos notables en hardware SLS

La evolución de la tecnología SLS de EOS

La empresa alemana de impresión 3D de polímeros y metal, EOS, es quizás el mayor especialista SLS del mercado. En 2016, la empresa afirmó tener alrededor de 3000 unidades instaladas mundialmente, 51 % de las cuales son sistemas SLS.

A lo largo de su historia de 30 años, EOS ha logrado evolucionar SLS al nivel de tecnología madura, adecuada para diversas aplicaciones, tanto en prototipado como producción.

Uno de los hitos en este camino fue el lanzamiento de la FORMIGA P 100 en 2006. El sistema estableció estándares para calidad de impresión 3D industrial en el sector plásticos, muchos años tras su introducción.

En 2012, EOS lanzó un sucesor de la FORMIGA 100, la FORMIGA P 110, nombrada mejor máquina de sinterizado láser en la encuesta Printer Guide 2018 de 3D Hubs.

Con un tamaño total de construcción de 200 × 250 × 330 mm, la P 110 permitió impresión de bajo volumen más rentable y se usó para construcciones de prototipos medianos y piezas con geometrías altamente complejas.

Avanzando a 2018, la P 110 se mejoró a la FORMIGA 110 Velocis. Cuenta con un sistema de calentamiento y recubrimiento acelerado mejorado, y usa control de software para precalentar materiales poliméricos con un haz láser de 30 vatios a mayor velocidad.

Ahora, con mejoras técnicas adicionales y refinamientos, la Velocis logra hasta 20 % aumento de productividad y mejor distribución de temperatura en el área de construcción, resultando en calidad de pieza más homogénea.

SLS de alta temperatura

Aunque el material más usado en SLS sigue siendo nailon, EOS también quiso permitir el procesamiento de materiales más avanzados, como PEEK, que típicamente requieren altas temperaturas para imprimirlos.

Esto resultó en la primera plataforma SLS de alta temperatura, la EOSINT P 800, presentada en 2008. Es capaz de procesar polímeros hasta una temperatura de unos 385 °C, expandiendo la tecnología SLS a un nuevo rango de termoplásticos, concretamente PEEK.

10 años después, EOS añadió la EOS P 810 a su gama de impresoras 3D de alta temperatura. El nuevo sistema se reclama como el primer sistema de sinterizado láser de alta temperatura optimizado para material PEKK reforzado con fibra de carbono.

Innovación continua: tecnologías FDR y LaserProFusion

Las mejoras e innovaciones de EOS en tecnología SLS continúan. Por ejemplo, en Formnext de este año, EOS mostró su tecnología de impresión 3D polimérica Fine Detail Resolution (FDR). El nuevo proceso usa un láser CO para imprimir en 3D componentes poliméricos delicados pero robustos, con superficies de resolución de detalle fino y espesor mínimo de pared de 0,22 mm.

EOS reclama ser el primer fabricante en desarrollar una solución de láser CO para impresión 3D industrial basada en polvo. La mayoría de máquinas SLS actuales usan uno o pocos láseres CO₂.

El tipo de láser CO crea un haz láser ultra-fino con diámetro de foco reportado la mitad del tamaño de tecnologías SLS actuales. Una consecuencia importante de esta precisión añadida son nuevos parámetros de exposición que pueden resultar en piezas con superficies extremadamente finas.

La nueva tecnología podría usarse para imprimir en 3D unidades de filtro y canales de fluido, tapones y otros componentes electrónicos, así como bienes de consumo, como gafas.

Mientras la tecnología FDR se enfoca en componentes delicados, otra —aún por comercializar— solución de EOS, tecnología LaserProFusion, está diseñada para máxima productividad.

EOS va a equipar el sistema LaserProFusion con hasta 1 millón de láseres de diodo, capaces de producir más de 5 kilovatios de potencia láser acumulada. Esta tecnología apunta principalmente a cumplir requisitos de producción en serie, y EOS afirma que puede usarse como alternativa al moldeo por inyección en muchas aplicaciones.

Desde el lanzamiento de la primera impresora 3D SLS hace 26 años, EOS ha sido una de las fuerzas impulsoras clave detrás del notable progreso en tecnología SLS. Ha perseguido continuamente la visión de SLS como solución de producción en serie, que eventualmente se está volviendo realidad.

Tecnología Flight de Farsoon

Otra empresa buscando revolucionar tecnología SLS es Farsoon. Para hacer SLS aún más rápido y preciso, Farsoon aprovecha la potencia de un láser de fibra en su nueva tecnología Flight.

Mientras las máquinas SLS actuales usan láseres CO₂, el fabricante chino de impresoras 3D ha reemplazado el láser CO₂ estándar con un láser de fibra.

Un sistema de láser de fibra es capaz de entregar más potencia al lecho de polvo y mejorar la distribución de energía al material. Esto es porque un haz de láser de fibra permite un tamaño de punto láser más pequeño. Esto se traduce en mayor densidad de potencia, permitiendo que el polvo se sinte en menos tiempo.

Además de un láser de fibra, Farsoon también desarrolló un nuevo sistema de escaneo, resultando en velocidad de escaneo de más de 20 m/s. Esto es aproximadamente 4 veces el de tecnologías comparables. Además, la potencia añadida del láser hace posibles detalles de características tan pequeños como 0,3 mm.

Diseñada para impulsar la adopción de impresión 3D SLS para producción de alto volumen, la tecnología Flight es ciertamente un paso adelante en esta dirección.

Impresión 3D SLS con dos polvos

Mientras EOS y otros actores consolidados de SLS se centran mayormente en innovación lineal, la startup belga Aerosint ha tomado un enfoque radical para desarrollar un sistema SLS capaz de imprimir con dos polvos diferentes. Esto permitirá a la máquina usar uno de los polvos como material de soporte económico.

Normalmente, el polvo de soporte no fusionado en una máquina SLS es el mismo material usado para imprimir una pieza, y tiende a ser caro. Por supuesto, esto no sería problema si el polvo pudiera reutilizarse al 100 %, lo cual es actualmente imposible.

Una razón es que, en el proceso SLS, los polímeros se exponen a alto calor por largos períodos, sufriendo cambios químicos que hacen sus características de sinterizado mucho menos predecibles. Actualmente, la única forma de superar esto es mezclando polvo "usado-pero-no-fundido" con cerca de 50 % polvo virgen, para reutilizarlo.

Según estimación de un proveedor de servicios, de 500 kg de polvo que compra al mes, "25 % se convierte en pieza, 25 % es desperdicio y 50 % se reutiliza para refrescar la siguiente construcción".

Introducir una máquina que pueda usar material de soporte barato y un segundo material para impresión de piezas, podría ahorrar una cantidad significativa de dinero para quienes usan procesos SLS.

La tecnología de Aerosint, Deposición Selectiva de Polvo, logra esto depositando selectivamente material de polvo desde un tambor rotatorio que pasa sobre un área de construcción. Un tambor deposita un material, así que se usan al menos dos tambores para lograr deposición multi-polvo.

La técnica de Aerosint es inherentemente línea-por-línea y puede alcanzar tasas de impresión de hasta 200 mm/s. Esta velocidad es comparable a las velocidades de desplazamiento del recubridor SLS actuales.

La maduración de esta tecnología desbloqueará un mar de oportunidades para fabricantes, incluyendo beneficios de reducción de desperdicio de polvo, ahorro de costes de material y reducción de tiempo de post-procesado.

Llevando impresoras 3D SLS a formato compacto

En 2014, el mercado SLS vio una nueva cosecha de empresas aprovechando la expiración de la patente SLS original y buscando hacer la tecnología más asequible.

Este cambio dio lugar a impresoras 3D SLS de sobremesa, no lo bastante pequeñas para llamarse "de escritorio", pero lo bastante compactas para caber en un banco de taller. La aparición de impresoras 3D de banco abrió la tecnología a prosumers y pequeñas empresas que podrían no tener dinero o espacio para un sistema SLS industrial.

Las startups, como Sinterit, Sharebot, Sintratec y, más recientemente, Formlabs, entraron en la carrera por la impresión 3D SLS de formato compacto.

Sharebot fue la primera empresa en llevar una máquina SLS de banco al mercado con SnowWhite, que comenzó a enviarse a clientes en 2016. A diferencia de los sistemas de Sintratec y Sinterit, equipados con láseres de diodo, SnowWhite cuenta con un láser CO2 más potente, comúnmente instalado en máquinas profesionales de gama alta.

El láser y un diminuto volumen de construcción de 100 x 100 x 100 mm, que permite imprimir con tan solo 300 g de polvo, hace el sistema SnowWhite particularmente adecuado para aplicaciones de desarrollo de materiales.

Otro gran actor en este campo es la empresa polaca Sinterit, con su sistema Sinterit Lisa, que sigue siendo líder en este segmento de mercado en crecimiento. Desde 6.990 €, Sinterit Lisa ofrece volumen de construcción 150 x 200 x 150 mm y resolución mínima de capa de 0,075 micras, haciéndola adecuada para pequeñas empresas que quieren una introducción a tecnología SLS sin invertir demasiado capital en equipos voluminosos.

El año pasado, la empresa también presentó la Sinterit Lisa Pro, la última impresora 3D SLS de banco.

Una innovación potencialmente significativa en este segmento podría ser Fuse 1, una impresora 3D SLS anunciada por el líder de estereolitografía de sobremesa Formlabs en 2017. Con volumen de impresión de 165 x 165 x 320 mm y láser de fibra, el sistema tiene precio alrededor de 10.000 $ y está previsto para lanzamiento comercial a mediados de 2020.

La avalancha de impresoras 3D FDM y SLA/DLP de sobremesa más baratas a principios de 2010 causó disrupción en la industria, contribuyendo significativamente al crecimiento de la industria FA. SLS asequible solo comienza este viaje y podría seguir un camino similar. Esto extenderá finalmente el alcance de SLS a una gama más amplia de industrias y usuarios.

La evolución de materiales SLS

Las primeras impresoras 3D SLS usaban mayormente nailon, un termoplástico de ingeniería popular, alabado por sus propiedades ligeras, resistencia y durabilidad. El nailon, también conocido como poliamida (PA), es estable frente a impacto, químicos, calor, luz UV, agua y suciedad, haciéndolo ideal tanto para prototipado rápido como producción.

Hoy, el nailon sigue siendo el material SLS más popular. Sin embargo, el progreso en tecnología y materiales de impresión 3D permitió la aparición de compuestos basados en nailon —materiales mezclados con fibra de carbono, fibra de vidrio y aluminio para mejorar aún más las propiedades mecánicas y térmicas de la poliamida.

Además de nailon, las impresoras 3D SLS actuales también pueden procesar PEEK, PEKK, TPUs flexibles, polímeros retardantes de llama y antiestáticos. La posibilidad de procesar materiales de alto rendimiento está estrechamente ligada a innovación tecnológica. Como en el ejemplo de EOS, la empresa primero necesitó crear una impresora 3D de alta temperatura antes de poder imprimir materiales como PEEK.

Nuevos materiales SLS

El ritmo de desarrollo de nuevos materiales para SLS también es alentador.

La empresa italiana de impresión 3D CRP Technology es quizás uno de los principales desarrolladores independientes de materiales SLS, famosa por su marca Windform. La empresa ofrece una gama de compuestos basados en nailon y polvos plásticos tipo goma.

Las adiciones más recientes a la línea Windform han sido Windform FR1 y Windform FR2 —compuestos retardantes de llama, adecuados para aplicaciones aeronáuticas (por ejemplo, piezas interiores, componentes de cabina, conductos de aire y válvulas de salida de aire); piezas de transporte (interiores de vehículos, carcasas y ensamblajes de recintos) y bienes de consumo y electrónica (iluminación y electrodomésticos).

La empresa química DSM también ha entrado recientemente en desarrollo de materiales para SLS. Resultó en un polvo de Polibutileno Tereftalato (PBT) lanzado el año pasado. Curiosamente, DSM especifica que el material es en realidad el primer polvo PBT disponible comercialmente para impresión 3D SLS. PBT es un polímero termoplástico de ingeniería con aplicaciones en industria electrónica, gracias a sus propiedades aislantes.

Además, Forward AM, una subsidiaria del gigante químico BASF, ofrece una gama de materiales SLS bajo la marca Ultrasint. El material Ultrasint Poliamida PA6 Negro FR retardante de llama ha sido el más reciente en esta gama y presume de alta rigidez y buena estabilidad térmica. Según Forward AM, ya se ha usado para producir nuevos componentes para vehículos que cumplen requisitos de protección contra incendios de vehículos.

Tanto BASF como DSM han adquirido recientemente impresoras 3D SLS del fabricante francés Prodways. Con capacidad SLS aumentada, las dos empresas químicas podrán acelerar su desarrollo de materiales avanzados para impresión 3D SLS.

Post-procesado en SLS

Aunque la tecnología SLS elimina la necesidad de diseño y remoción de estructuras de soporte, no está exenta de retos de post-procesado. El mayor es la necesidad de eliminar el exceso de polvo dejado en la superficie de una pieza y a veces atrapado dentro.

Actualmente, estos retos se abordan con lavado y limpieza manual, y técnicas tradicionales como chorro de arena y tumbado.

Sin embargo, estos métodos necesitan mucha intervención manual, aumentando riesgo de dañar geometrías frágiles y produciendo piezas finales inconsistentes.

En cuanto a acabado superficial, las piezas SLS a menudo se alisan lijando y usando equipos semi-automatizados típicamente no diseñados para impresión 3D. Estos enfoques no son prácticos para aprovechar al máximo las capacidades de una impresora SLS y escalar a volúmenes de producción mayores.

Afortunadamente, varios actores de la industria están desarrollando soluciones automatizadas para post-procesado de piezas SLS.

PostProcess Technologies, por ejemplo, ofrece soluciones impulsadas por su tecnología Thermal Atomized Fusillade (TAF), en la que dos chorros de eje único perpendiculares, compuestos de aire comprimido, detergente y sólidos en suspensión, proporcionan secuencias de chorro dirigidas, usando rotación de pieza 360° para máxima exposición superficial.

Luego la empresa británica AMT lanzará una solución de desempolvado automatizado a finales de este año.

En última instancia, cambiar de desempolvado manual a automatizado ayudará a optimizar el flujo de trabajo de impresión 3D SLS significativamente, no solo reduciendo tiempo de mano de obra manual, sino también permitiendo a empresas escalar su producción SLS más eficientemente.

Aplicaciones SLS: uso creciente en producción

Aunque la tecnología SLS sigue usándose en prototipado, cada vez más se está volviendo popular para testeo de piezas funcionales y aplicaciones de producción.

Aeroespacial

La industria aeroespacial, por ejemplo, usa SLS para crear piezas interiores de aeronaves. Un caso es Emirates, la mayor aerolínea de EAU. La aerolínea usa impresión 3D para producir componentes de cabina, incluyendo cubiertas de monitorización de video y rejillas de ventilación. Estas últimas ya han sido certificadas e instaladas para pruebas a bordo en aeronaves de Emirates.

Emirates colabora con 3D Systems para producir las cubiertas de monitorización de video, usando tecnología SLS y material DuraForm ProX FR1200 Nylon de 3D Systems, que cumple umbrales de retardancia de llama requeridos por la industria aeroespacial para piezas interiores de cabina.

Bienes de consumo

En la industria de bienes de consumo, Chanel pionera el uso de impresión 3D SLS para cepillos de máscara. La marca ahora imprime en 3D millones de cepillos de máscara, en colaboración con el proveedor francés de servicios de impresión 3D Erpro Group.

Usando tecnología SLS, el diseño del cepillo se ha optimizado —por ejemplo, la textura rugosa y granular, lograda con tecnología SLS, mejora la adhesión de la máscara a las pestañas.

Además de productos de belleza, SLS se usa cada vez más en campos médico y calzado para producir plantillas y sandalias personalizadas.

Deportes de motor

En deportes de motor, la tecnología puede ayudar a equipos de carreras a innovar diseños de coche y testarlos más rápido de lo que permitirían tecnologías tradicionales.

El equipo Alfa Romeo Sauber Fórmula Uno (F1) es un buen ejemplo de cómo una empresa de deportes de motor puede aprovechar la impresión 3D SLS.

El SLS se usa principalmente para desarrollo aerodinámico del coche Alfa Romeo F1 en túnel de viento, así como una amplia variedad de moldes de laminación, núcleos y piezas seriadas complejas.

Durante producción, usan un material basado en polvo desarrollado por Sauber Engineering, usado cuando se requieren componentes particularmente ligeros y rígidos, desde ventilación de frenos F1 y componentes de carrocería para vehículos de pre-producción y prototipos, a una amplia gama de elementos de construcción listos para usar.

El cielo es el límite para aplicaciones SLS. Dados los desarrollos recientes en materiales y tecnología SLS, esta afirmación suena especialmente cierta.

SLS: una de las mejores opciones para impresión 3D de polímeros

El mercado de impresión 3D SLS está en estado de evolución continua. La tecnología se democratiza con la introducción de sistemas de banco compactos y asequibles. Mientras tanto, los fabricantes de equipos SLS industriales ponen mayor foco en soluciones que ayudan a establecer SLS como herramienta de producción.

Como resultado, el volumen de proyectos logrados con tecnología SLS aumenta constantemente.

Evidencia de esto es que más del 75 % de proyectos de impresión 3D usaron métodos SLS en 2019, según el informe de Sculpteo. Una conclusión aquí es que SLS es considerado una de las mejores opciones para impresión 3D de polímeros. Creemos que esto seguirá siendo cierto tanto en el futuro próximo como lejano.