Impresión 3D de sinterización selectiva por láser (SLS):una guía detallada

La industria de fabricación aditiva, valorada en la asombrosa cantidad de 13 840 millones de dólares, se encuentra entre las tecnologías de fabricación de más rápido crecimiento de la era moderna. La sinterización selectiva por láser (SLS) es una de las tecnologías de impresión 3D innovadoras que ha impulsado su rápido ascenso e inspirado la adaptación industrial a gran escala.

En esta guía completa, analizaremos varios aspectos de la impresión SLS, incluido su flujo de trabajo, ventajas/desventajas, capacidades del material y algunas de sus aplicaciones.

¿Qué es la impresión 3D de sinterización selectiva por láser?

La impresión 3D SLS utiliza un láser guiado como fuente de energía térmica para sinterizar capas de partículas de materia prima en una construcción resistente y duradera. Las partículas, cuando se calientan, se unen sin fundirse. Es por eso que se denomina proceso de sinterización, no de fusión.

Además, las impresoras 3D SLS vienen en una variedad de volúmenes de construcción que van desde escritorio hasta industriales a gran escala. También difieren en factores como el tipo de láser (fibra, diodo, láseres de CO2, etc.), la potencia del láser, el costo y la precisión de fabricación.

Esta técnica es conocida por su viabilidad para la fabricación de piezas funcionales y la creación rápida de prototipos. Las deseables cualidades materiales de las piezas de la impresora 3D SLS son un factor prometedor para los fabricantes y desarrolladores de productos.

Profundicemos en la sinterización selectiva por láser y analicemos su flujo de trabajo para comprenderlo mejor.

Flujo de trabajo de impresión 3D SLS

La impresión 3D SLS se realiza en numerosos pasos. A continuación se describe un procedimiento estándar paso a paso para la mayoría de las impresoras 3D SLS.

1. Preparación del modelo CAD

La historia comienza con un modelo CAD de la pieza a imprimir. El modelo finalizado se transfiere a la interfaz de usuario integrada de las impresoras SLS o a un software de corte en formatos de archivo adecuados para la impresión 3D. El formato de archivo más común es STL.

El software de corte prepara el archivo CAD para la impresión 3D, generando comandos (conocidos como códigos G) que el controlador de la impresora puede interpretar en términos del movimiento de escaneo del láser. El software también incorpora configuraciones definidas por el usuario, como el grosor de la capa, la potencia del láser y la resolución, que son factores que definen la calidad de construcción final.

En esta etapa, el software también predice información crucial como el tiempo de impresión y el consumo de material.

2. Cheques preimpresos

Las impresoras 3D SLS son máquinas sofisticadas que requieren capacitación y cuidado para operar. Antes de que comience la impresión, se realizan algunas comprobaciones para garantizar que la impresión se realice sin problemas.

La cámara de construcción (lecho de polvo) se llena hasta el nivel correcto y con el material correcto. Además, los operadores profesionales también realizan algunas comprobaciones CAD previas a la impresión para asegurarse de que no haya lagunas que afecten la capacidad de impresión.

Los galvanómetros, los espejos que dirigen el rayo láser a lo largo de la ruta de impresión deseada, deben calibrarse. Los servomotores que los accionan también se llevan a sus posiciones iniciales para errores mínimos. Los programas de calibración para estos a menudo son recomendados por los fabricantes en los manuales.

3. Polvo de precalentamiento

El polvo en la cámara de construcción se precalienta antes de que comience la impresión justo por debajo de su punto de fusión. De esta forma, la energía térmica del láser solo se utiliza en la sinterización. Esto permite una impresión 3D rápida.

4. Impresión

En realidad, el proceso de impresión en sí es bastante simple e ingenioso. El láser escanea la capa superior de la pieza (definida anteriormente por la cortadora) sobre la superficie superior del lecho de polvo.

La potencia del láser se ajusta con precisión para lograr una profundidad de sinterización equivalente al espesor de la capa. El rango típico de espesor de capa en la impresión 3D SLS es de 0,05 a 0,15 mm.

Luego, la cama se mueve hacia abajo por el espesor de una capa, llevándose consigo la construcción. Una nueva capa del material SLS se extiende sobre el lecho mediante la cuchilla/rodillo de repintado. El láser escanea esta vez la segunda capa, que se une a la anterior.

Este proceso continúa repitiéndose hasta que se imprime toda la pieza.

5. Recuperación de piezas y posprocesamiento

Una vez completada la impresión, se deja enfriar dentro de la cámara durante algún tiempo. Una vez que se enfría, se extrae de la cámara de construcción. Dado que la pieza está rodeada por todos lados por el polvo sin sinterizar, el proceso de extracción a menudo se denomina "desempolvado".

Ventajas de la impresión 3D SLS

La impresión 3D SLS cuenta con numerosos aspectos positivos, lo que la convierte en uno de los métodos de fabricación aditiva más buscados en la industria.

1. Piezas robustas

Las piezas impresas en 3D SLS poseen propiedades ventajosas como la resistencia mecánica, el módulo de tracción, la resistencia al calor y la hermeticidad al agua y al aire. Esto se debe al proceso de sinterización, que une fuertemente las partículas de polímero individuales.

Esta calidad de robustez ha permitido que las impresoras SLS sean un equipo común para desarrollar y probar prototipos funcionales, que no solo imitan la apariencia del producto de prueba sino también su funcionalidad.

2. No se requieren apoyos

Las estructuras impresas en 3D con características como voladizos o puentes requieren una geometría de soporte para sostener estos elementos durante la impresión. La mayoría de los métodos de impresión 3D, como FDM, desperdician mucho tiempo y material al imprimir estas estructuras de soporte.

Sin embargo, con la sinterización selectiva por láser, esto no es una preocupación. Dado que toda la construcción está atrapada en un charco de polvo suelto, ya cuenta con un buen soporte durante la construcción. Esto no solo ahorra tiempo, sino que también reduce los costos.

3. Rápido

Estas máquinas se consideran impresoras 3D rápidas, con impresión comercial, velocidades de hasta 48 mm/h. Esto supera a un número decente de métodos de impresión 3D alternativos.

Además de esto, el flujo de trabajo de este proceso, aunque se divide en muchos pasos, es bastante eficiente en términos de tiempo. El escaneo láser es casi instantáneo, la cámara de construcción se puede separar y reemplazar por otra a medida que la primera se enfría, y también existe la posibilidad de impresión por lotes, que analizaremos a continuación.

4. Impresión por lotes

Las impresoras 3D vienen en una variedad de volúmenes de cámara de construcción, con hasta 750 mm en una dirección para máquinas más grandes. Un enfoque productivo es hacer un uso eficiente del volumen de la cámara de construcción adaptando la impresión por lotes.

Esto significa colocar tantas piezas dentro de la cámara de construcción como un "lote". Esto es prudente ya que el escaneo láser en sí mismo es muy rápido. En la impresión por lotes, con un escaneo, puede sinterizar capas de varias piezas en lugar de una sola, lo que ahorra horas de tiempo de impresión.

5. Alta precisión dimensional

SLS produce piezas muy precisas. Como se mencionó anteriormente, la altura de la capa puede ser tan baja como 0,05 mm. Además de esto, la mayoría de las impresoras 3D son capaces de fabricar tolerancias dentro de +/- 3%. La presión de empaque proporcionada por el lecho de polvo también ayuda a minimizar la deformación.

Debido a esto, las piezas impresas en 3D de SLS tienen una forma casi neta y no requieren un procesamiento posterior extenso.

Desventajas de la impresión 3D SLS

Como cualquier proceso de fabricación, SLS tiene sus contras además de sus ventajas. Aclaramos algunos puntos que hay que tener en cuenta antes de optar por SLS.

1. Opciones limitadas de materia prima

La sinterización selectiva por láser no ofrece un catálogo sólido de materiales. Aparte de algunos tipos de nailon, elastómeros termoplásticos y TPU (poliuretano termoplástico), los materiales compatibles con SLS son un poco difíciles de conseguir. La apariencia física también se limita a acabados metálicos grisáceos.

Si bien la investigación científica está ampliando el alcance material de la impresión SLS, por ahora es una clara desventaja.

2. Superficie Granulada

La construcción final, aunque dimensionalmente precisa, no tiene una superficie lisa y brillante. En muchos casos, puede requerir tratamientos superficiales adicionales para cumplir con los requisitos de fabricación. Las técnicas de la competencia, como la estereolitografía, tienen un acabado superficial mucho mejor.

Discutiremos algunos de los métodos populares de posprocesamiento en la siguiente sección que ayudan a abordar este problema.

3. Impresoras caras

Las impresoras SLS son generalmente máquinas caras. Uno debe esperar gastar más de $ 5,000 en versiones más baratas. Las versiones de gama alta están en el rango de $100,000+.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la inversión inicial se ve ligeramente compensada por costos de material e impresión comparativamente más bajos. Además, hay una nueva ola de innovadoras impresoras 3D de sobremesa que ingresan al mercado que no son tan caras pero tienen especificaciones decentes. Obtenga más información sobre los costos del servicio de impresión 3D.

4. Peligros para la salud y el medio ambiente

El material SLS viene en forma de polvos finos con un tamaño de partícula tan pequeño como 20 micrones. Partículas de dimensiones tan diminutas pueden ingresar fácilmente a nuestro sistema respiratorio y crear problemas de salud. La sinterización puede generar humos que pueden escapar del entorno de trabajo y contribuir negativamente al medio ambiente.

Se recomienda a los operadores que utilicen EPP apropiados, como máscaras y guantes, cuando manejen estos materiales.

Materiales aptos para la impresión 3D SLS

Los polímeros en polvo sinterizables son la principal clase de material SLS. A continuación se resumen algunos de los principales materiales que pertenecen a esta categoría.

1. PA12

PA 12 también se conoce comúnmente como Nylon 12 y Poliamida 12. Tiene una gran resistencia a la tracción, tenacidad y flexibilidad. PA 12 también es resistente a los productos químicos y al calor, lo que lo convierte en un candidato ideal para productos funcionales.

Tiene una superficie mate ligeramente granulada después de la impresión 3D. Naturalmente, tiene un color blanco que se puede teñir en otros colores convenientemente.

2. PA11

La poliamida 11/Nylon 11 es biocompatible, fuerte, flexible, resistente al calor y resistente a los productos químicos. Es conocido por su comportamiento isotrópico, que es excelente en ciertas aplicaciones de carga, como interiores de automóviles, prótesis y equipos médicos.

3. Aluminio

Alumide es nailon relleno con polvo de aluminio. Esta mezcla está hecha para una mayor resistencia y rigidez. Además, el aluminio le da su aspecto metálico brillante al producto final, que no es tan granulado como un material de nailon puro como PA12 o PA11.

4. PA-CF

El nailon relleno de fibra de carbono es una combinación de alto rendimiento con fuerza de élite y resistencia al impacto. Es notablemente ligero, como característica de los productos de fibra de carbono. Las aplicaciones comunes incluyen plantillas, accesorios y piezas automotrices livianas.

Opciones de acabado superficial para piezas de impresión SLS

El posprocesamiento se mencionó anteriormente, pero no destacamos las diferentes técnicas que utilizan los expertos. Sin embargo, el acabado superficial de las piezas sin polvo no es el ideal. Por lo tanto, dependiendo de los requisitos de fabricación, se pueden aplicar una serie de tratamientos superficiales

1. Lijado/esmerilado manual

Se puede lograr una superficie ligeramente más fina mediante el uso de técnicas manuales. Los operadores utilizan papel de lija de varios grados o máquinas rectificadoras para aplicar un tratamiento superficial uniforme y llegar a todos los rincones de la geometría.

2. Voladuras y caídas

Estos métodos consiguen un gran acabado superficial. Para el granallado, el medio común son las perlas de vidrio, y para el volteo, las virutas de cerámica son ampliamente utilizadas. En ambos casos, estas partículas chocan con la superficie de la pieza SLS para aplanarla.

Sin embargo, una desventaja es que también se elimina algo de material, cambiando las dimensiones de la pieza. Además, los bordes afilados también pueden resultar redondeados, lo que puede o no ser deseable.

3. Tratamiento Químico

Los productos químicos como la acetona pueden reaccionar con la superficie para suavizarla. Este no es un método popular, pero es viable en algunos casos. Se debe tener cuidado con respecto a la reactividad al seleccionar el producto químico.

4. Recubrimiento

Se pueden aplicar varios recubrimientos para obtener propiedades físicas específicas. Los recubrimientos metálicos como el oro o el cobre a veces se usan para mayor resistencia y estética. Dado que las piezas impresas en 3D son porosas, se pueden aplicar revestimientos impermeables como la silicona para mejorar el rendimiento.

5. Teñido / Lacado

Una solución fácil para mejorar la calidad de la superficie es aplicar una capa de pintura o laca sobre la superficie rugosa. Esto mejora la apariencia de la pieza, le da una sensación de brillo y no toma mucho tiempo.

Aplicaciones de la impresión 3D SLS

SLS ha encontrado aplicación en varias industrias importantes debido a sus numerosos puntos fuertes.

1. Fabricación y creación rápida de prototipos

Las propiedades mecánicas de las piezas impresas en 3D SLS son comparables a las piezas fabricadas mediante otros procesos. Sin embargo, la producción es más rápida y conveniente. Por este motivo, las piezas SLS se utilizan mucho para la creación rápida de prototipos y la fabricación de productos funcionales.

Los desarrolladores de productos disfrutan de la libertad de pasar rápidamente por iteraciones de diseño gracias a la rápida velocidad de impresión y la funcionalidad de la pieza.

2. Aviación y automoción

Ambas industrias buscan constantemente piezas ligeras y resistentes a los impactos, cualidades características de la impresión SLS. Por lo tanto, la impresión 3D también se está volviendo popular para fabricar piezas personalizadas y elegantes para modernizar o decorar automóviles.

Los componentes ignífugos de los motores aeroespaciales son otra aplicación en la que las cualidades específicas de los materiales SLS son adecuadas. Además de estos, también es popular para fabricar prototipos y conductos de aire.

3. médico

En la industria médica, hoy en día se imprimen en 3D prótesis y ortesis funcionales y diseñadas a medida. Esto se debe a que la tecnología de escaneo 3D permite moldear estas partes exactamente de acuerdo con el físico del paciente y SLS ayuda a lograr las propiedades mecánicas requeridas.

Servicios de impresión 3D SLS de WayKen

SLS es una tecnología de fabricación aditiva popular utilizada por muchas industrias por su precisión, exactitud y productividad. Sin embargo, dominar la tecnología puede ser un desafío, por lo que es importante trabajar con un proveedor de servicios de confianza que tenga la experiencia y los conocimientos para brindar resultados de calidad.

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Conclusión

Indiscutiblemente, la sinterización selectiva por láser ha dejado una fuerte huella en el panorama de la fabricación aditiva en los últimos años. Su potencial y utilización están en constante crecimiento a medida que llama la atención de más y más industriales.

Para concluir esta guía, recomendamos a nuestros lectores que utilicen esta guía en su toma de decisiones al optar por la impresión 3D. Todavía es un mercado relativamente nuevo y uno debe estar bien informado antes de finalizar la elección del método de impresión 3D y el fabricante.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los tipos de impresoras 3D SLS?

Las impresoras 3D SLS se diferencian de varias formas:

-Tamaño :desde impresoras de escritorio con un volumen de construcción de 100 x 100 x 100 mm hasta impresoras industriales de gama alta con volúmenes de construcción de hasta 500 x 500 x 500 mm.

-Tipos de láser :Las impresoras SLS pueden equiparse con láser de CO2, láser de fibra, láser infrarrojo o diodo láser.

-Especificaciones de impresión :Las especificaciones como la velocidad de impresión, el grosor mínimo de la capa, las capacidades del material, etc. difieren de un producto a otro.

¿Cuál es la diferencia entre la impresión por sinterización selectiva por láser (SLS) y la impresión por fusión selectiva por láser (SLM)?

SLS une partículas de material sinterizándolas. Este proceso ocurre por debajo del punto de fusión del material y las partículas simplemente se fusionan entre sí. SLM, por otro lado, opera por encima del punto de fusión y funde las partículas por completo, que luego se solidifican como una parte homogénea.

SLM produce piezas con mejores propiedades mecánicas y es adecuado para aplicaciones de muy alta calidad. SLS también produce piezas funcionales pero no es tan fuerte como SLM.

¿Qué materiales se utilizan comúnmente para la impresión 3D SLS?

Los polímeros termoestables y el poliuretano termoplástico son materiales comunes que se utilizan en la impresión 3D SLS. Específicamente, materiales como Nylon 12 y Nylon 11 son los más populares. Algunas aplicaciones especiales también utilizan una mezcla de estos con metales (aluminio) o fibras (fibra de carbono, fibra de vidrio).