Sinterizado Selectivo por Láser (SLS) en Impresión 3D: Guía Experta y Perspectivas de la Industria

La industria de fabricación aditiva, valorada en la asombrosa cifra de $13.84 mil millones, se encuentra entre las tecnologías de fabricación de más rápido crecimiento de la era moderna. El Sinterizado Selectivo por Láser (SLS) es una de las tecnologías innovadoras de impresión 3D que ha impulsado su rápido ascenso e inspirado una amplia adaptación industrial.

En esta guía completa, discutiremos varios aspectos de la impresión SLS, incluyendo su flujo de trabajo, ventajas/desventajas, capacidades de materiales y algunas de sus aplicaciones.

¿Qué es la Impresión 3D por Sinterizado Selectivo por Láser?

La impresión 3D SLS utiliza un láser guiado como fuente de energía térmica para sinterizar capas de partículas de material en bruto en una construcción fuerte y duradera. Las partículas, al calentarse, coalescen sin fundirse. Por eso se le llama proceso de sinterizado, 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 tipo de láser (fibra, diodo, láseres CO2, etc.), potencia del láser, costo y precisión de fabricación.

Esta técnica es conocida por su viabilidad para fabricar piezas funcionales y prototipado rápido. Las cualidades de material deseables de las piezas de impresora 3D SLS son un factor prometedor para fabricantes y desarrolladores de productos.

Profundicemos en el sinterizado selectivo por láser y desglosemos su flujo de trabajo para una mejor comprensión.

Flujo de Trabajo de la Impresión 3D SLS

La impresión 3D SLS se realiza en numerosos pasos. A continuación se describe un procedimiento paso a paso estándar 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 laminado en formatos de archivo adecuados para impresión 3D. El formato de archivo más común es STL.

El software de laminado prepara el archivo CAD para impresión 3D, generando comandos (conocidos como G-Codes) 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 espesor de capa, potencia del láser y resolución que son factores determinantes para la calidad final de la construcción.

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

2. Comprobaciones Pre-Impresión

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

La cámara de construcción (cama de polvo) se llena al nivel correcto y con el material correcto. Además, operadores profesionales también realizan algunas comprobaciones CAD previas a la impresión para asegurar que no haya lagunas que afecten la imprimibilidad.

Los galvanómetros, los espejos que dirigen el haz láser a lo largo del camino de impresión deseado, deben calibrarse. Los servomotores que los accionan también se llevan a sus posiciones de origen para errores mínimos. Los cronogramas de calibración para estos a menudo son recomendados por los fabricantes en manuales.

3. Precalentamiento del Polvo

El polvo en la cámara de construcción se precalienta antes de que comience la impresión a justo por debajo de su punto de fusión. De esta manera, la energía térmica del láser solo se usa en el sinterizado. 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 el laminador) sobre la superficie superior de la cama de polvo.

La potencia del láser se establece precisamente para lograr una profundidad de sinterizado equivalente al espesor de capa. El rango típico de espesor de capa en impresión 3D SLS es 0.05-0.15mm.

Luego, la cama se mueve hacia abajo por un espesor de capa, llevándose la construcción con ella. Una capa fresca del material SLS se extiende sobre la cama por la cuchilla/rodillo de recubrimiento. El láser escanea la segunda capa esta vez, que se une con la anterior.

Este proceso se repite entonces hasta que la pieza completa está impresa.

5. Recuperación de Piezas y Post-Procesamiento

Después de que la impresión está completa, se deja enfriar dentro de la cámara por un tiempo. Una vez que está fría, se extrae de la cámara de construcción. Dado que la pieza está rodeada por todos lados por polvo no sinterizado, el proceso de extracción a menudo se refiere como "desempolvado".

Ventajas de la Impresión 3D SLS

La impresión 3D SLS presume 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 resistencia mecánica, módulo de tracción, resistencia al calor, y hermeticidad al agua y aire. Esto se debe al proceso de sinterizado, que une fuertemente las partículas de polímero individuales.

Esta cualidad 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 Soportes

Las estructuras impresas en 3D con características como voladizos o puentes requieren 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 imprimiendo estas estructuras de soporte.

Con el sinterizado selectivo por láser, sin embargo, esto no es una preocupación. Dado que toda la construcción está atrapada en una piscina de polvo suelto, ya está bien soportada durante la construcción. No solo ahorra tiempo sino que también disminuye costos.

3. Rápido

Estas máquinas son consideradas impresoras 3D rápidas, con velocidades de impresión comercial de hasta 48 mm/hr. Esto supera a un buen número de métodos alternativos de impresión 3D.

Además de esto, el flujo de trabajo de este proceso, aunque dividido en muchos pasos, es bastante eficiente en tiempo. El escaneo láser es casi instantáneo, la cámara de construcción puede desmontarse y reemplazarse con otra mientras la primera se enfría, y también existe la posibilidad de impresión por lotes, que discutimos a continuación.

4. Impresión por Lotes

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

Esto significa ajustar tantas piezas dentro de la cámara de construcción como un "lote". Esto es prudente ya que el escaneo láser en sí es muy rápido. En la impresión por lotes, con un escaneo, puede sinterizar capas de múltiples piezas en lugar de solo una, ahorrando horas en tiempo de impresión.

5. Alta Precisión Dimensional

SLS produce piezas muy precisas. Como se mencionó antes, la altura de capa puede ser tan baja como 0.05mm. Además, la mayoría de las impresoras 3D son capaces de fabricar tolerancias dentro de +/- 3%. La presión de empaquetado proporcionada por la cama de polvo también ayuda a minimizar la deformación.

Debido a esto, las piezas impresas en 3D SLS son de forma casi neta y no requieren post-procesamiento extensivo.

Desventajas de la Impresión 3D SLS

Como cualquier proceso de fabricación, SLS tiene sus contras además de pros. Arrojamos luz sobre algunos puntos que se deben tener en cuenta antes de optar por SLS.

1. Opciones Limitadas de Material en Bruto

El sinterizado selectivo por láser no ofrece un catálogo fuerte de materiales. Aparte de algunos tipos de Nailon, elastómeros termoplásticos y TPU (Poliuretano Termoplástico), los materiales compatibles con SLS son un poco difíciles de encontrar. La apariencia física también se limita a acabados grisáceos y metálicos.

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

2. Superficie Granulosa

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

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

3. Impresoras Costosas

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

Debe notarse aquí, sin embargo, que la inversión inicial se compensa ligeramente por costos de material e impresión comparativamente más bajos. Además, hay una nueva ola de innovadoras impresoras 3D de sobremesa entrando al mercado que no son tan costosas pero tienen especificaciones decentes. Más información sobre costos de servicios de impresión 3D.

4. Riesgos 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 micras. Partículas de tales dimensiones minúsculas pueden entrar fácilmente en nuestro sistema respiratorio y crear problemas de salud. El sinterizado puede crear humos que pueden escapar del entorno de trabajo y contribuir negativamente al medio ambiente.

Se recomienda a los operadores usar EPPs apropiados como mascarillas y guantes al tratar con estos materiales.

Materiales Adecuados para Impresión 3D SLS

Los polímeros pulverizados sinterizables son la clase principal de material SLS. Resumidos a continuación están algunos de los principales materiales que caen bajo esta categoría.

1. PA12

PA 12 también es comúnmente conocido como Nailon 12 y Poliamida 12. Tiene gran resistencia a la tracción, tenacidad y flexibilidad. PA 12 también es resistente a químicos y calor, lo que lo hace un candidato ideal para productos funcionales.

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

2. PA11

Poliamida 11/Nailon 11 es biocompatible, fuerte, flexible, resistente al calor y químicos. Es conocido por su comportamiento isotrópico, lo cual es excelente en ciertas aplicaciones de carga como interiores automotrices, prótesis y equipos médicos.

3. Alumide

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

4. PA-CF

Nailon relleno de fibra de carbono es una combinación de alto rendimiento con resistencia y resistencia al impacto de élite. Es notablemente ligero, como característico de productos de fibra de carbono. Aplicaciones comunes incluyen plantillas, fijaciones y piezas automotrices ligeras.

Opciones de Acabado Superficial para Piezas de Impresión SLS

El post-procesamiento se mencionó anteriormente pero no destacamos las diferentes técnicas que usan los expertos. Sin embargo, el acabado superficial de las piezas desempolvadas no es ideal. Así que, dependiendo de los requisitos de fabricación, se pueden aplicar varios tratamientos de superficie.

1. Lijado/Pulido Manual

Una superficie ligeramente más fina es alcanzable mediante el uso de técnicas manuales. Los operadores usan papel de lija de varios grados o máquinas de pulido para aplicar un tratamiento de superficie uniforme y alcanzar todas las esquinas de la geometría.

2. Granallado y Tumbar

Estos métodos logran un gran acabado superficial. Para granallado con cuentas, el medio común son cuentas de vidrio, y para tumbar, chips cerámicos son ampliamente usados. En ambos casos, estas partículas colisionan con la superficie de la pieza SLS para alisarla.

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

3. Tratamiento Químico

Químicos como la acetona pueden reaccionar con la superficie para alisarla. Este no es un método popular pero es viable en algunos casos. Se debe tener cuidado con respecto a la reactividad al seleccionar el químico.

4. Recubrimiento

Varios recubrimientos pueden aplicarse para obtener propiedades físicas específicas. Recubrimientos metálicos como oro o cobre a veces se usan para mayor resistencia y estética. Dado que las piezas impresas en 3D son porosas, recubrimientos herméticos como silicona pueden aplicarse para rendimiento mejorado.

5. Teñido / Laqueado

Una solución fácil para mejorar la calidad de la superficie es aplicar una capa de pintura o laca en la superficie rugosa. Esto mejora la apariencia de la pieza, le da un tacto brillante 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. Prototipado Rápido y Fabricación

Las propiedades mecánicas de las piezas impresas en 3D SLS son comparables a piezas fabricadas vía otros procesos. Sin embargo, la producción es más rápida y conveniente. Por esta razón, las piezas SLS son ampliamente usadas para prototipado rápido y fabricación de productos funcionales.

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

2. Aviación y Automotriz

Ambas industrias están en constante búsqueda de piezas ligeras y resistentes al impacto —cualidades características de la impresión SLS. Por lo tanto, la impresión 3D también se está volviendo popular para fabricar piezas personalizadas y estilizadas para retrofitting o decoración de automóviles.

Componentes resistentes a la llama en motores aeroespaciales son otra aplicación donde las cualidades específicas de los materiales SLS son adecuadas. Además de estos, también es popular para hacer conductos de aire y prototipos.

3. Médica

En la industria médica, prótesis y ortesis funcionales y diseñadas a medida se imprimen en 3D hoy en día. Esto es porque la tecnología de escaneo 3D permite que estas piezas se moldeen exactamente según 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 usada por muchas industrias por su precisión, exactitud y productividad. Sin embargo, dominar la tecnología puede ser desafiante, por lo que es importante trabajar con un proveedor de servicios de renombre que tenga la experiencia y pericia para entregar resultados de calidad.

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Conclusión

El sinterizado selectivo por láser ha dejado indudablemente una marca fuerte en el panorama de fabricación aditiva en años recientes. Su potencial y utilización son cada vez mayores a medida que capta la atención de más y más industrialistas.

Para cerrar esta guía, aconsejamos a nuestros lectores usar esta guía en su toma de decisiones al optar por impresión 3D. Todavía es un mercado relativamente nuevo y uno debe estar bien informado antes de finalizar su elección de método de impresión 3D y fabricante.

Preguntas Frecuentes

¿Cuáles son los tipos de impresoras 3D SLS?

Las impresoras 3D SLS difieren en varias formas:

-Tamaño: Impresoras de escritorio con volumen de construcción de 100x100x100 mm a impresoras industriales de gama alta con volúmenes de construcción tan grandes como 500x500x500 mm.

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

-Especificaciones de Impresión: Especificaciones como velocidad de impresión, espesor mínimo de capa, capacidades de material, etc. difieren de producto a producto.

¿Cuál es la diferencia entre impresión por sinterizado selectivo por láser (SLS) e 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 completamente, 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 usan comúnmente para impresión 3D SLS?

Polímeros termoestables y Poliuretano Termoplástico son materiales comunes usados en impresión 3D SLS. Específicamente, materiales como Nailon 12 y Nailon 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).