Hướng dẫn về In 3D Laser Sintering (SLS) Chọn lọc
Thiêu kết laser chọn lọc (SLS)
Sintering laser chọn lọc (SLS) là một công nghệ sản xuất phụ gia (AM) sử dụng tia laser để thiêu kết vật liệu nhựa dạng bột thành một cấu trúc rắn dựa trên mô hình 3D. In 3D SLS đã là một lựa chọn phổ biến cho các kỹ sư phát triển sản phẩm trong nhiều thập kỷ. Chi phí cho mỗi bộ phận thấp, năng suất cao và vật liệu đã được thiết lập làm cho công nghệ trở nên lý tưởng cho một loạt các ứng dụng từ tạo mẫu nhanh đến sản xuất hàng loạt hoặc cầu nhỏ .
Những tiến bộ gần đây trong máy móc, vật liệu và phần mềm đã giúp in SLS có thể tiếp cận với nhiều loại hình doanh nghiệp hơn, cho phép ngày càng nhiều công ty sử dụng các công cụ trước đây chỉ giới hạn trong một số ngành công nghệ cao.
Trong hướng dẫn mở rộng này, chúng tôi sẽ đề cập đến quy trình thiêu kết laser chọn lọc, các hệ thống và vật liệu khác nhau có sẵn trên thị trường và khi nào nên cân nhắc sử dụng thiêu kết laser chọn lọc thay vì các phương pháp sản xuất phụ gia và truyền thống khác.
Lịch sử của SLS 3D Printing
Đốt kết bằng laser chọn lọc (SLS) là một trong những kỹ thuật sản xuất phụ gia đầu tiên, được phát triển vào giữa những năm 1980 bởi Tiến sĩ Carl Deckard và Tiến sĩ Joe Beaman tại Đại học Texas ở Austin. Phương pháp của họ kể từ đó đã được điều chỉnh để làm việc với nhiều loại vật liệu, bao gồm nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm sứ và các loại bột vật liệu composite khác nhau. Ngày nay, những công nghệ này được gọi chung là phản ứng tổng hợp bột - các quy trình sản xuất phụ gia mà năng lượng nhiệt kết hợp có chọn lọc các vùng của lớp bột.
Hai hệ thống nung chảy bột phổ biến nhất hiện nay là dựa trên nhựa, thường được gọi là SLS và dựa trên kim loại, được gọi là thiêu kết laser kim loại trực tiếp (DMLS) hoặc nấu chảy laser chọn lọc (SLM). Cho đến gần đây, cả hai hệ thống này đều rất đắt tiền và phức tạp, giới hạn việc sử dụng chúng ở số lượng nhỏ có giá trị cao hoặc các bộ phận tùy chỉnh, chẳng hạn như các bộ phận hàng không vũ trụ hoặc thiết bị y tế.
Sự đổi mới trong lĩnh vực này đã tăng mạnh trong thời gian gần đây và SLS làm từ nhựa hiện đã sẵn sàng theo sau các công nghệ in 3D khác như kỹ thuật in lập thể (SLA) và mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM) để được áp dụng rộng rãi với các hệ thống nhỏ gọn, dễ tiếp cận.
Cách thức hoạt động của In 3D SLS
Máy in 3D SLS sử dụng tia laser công suất cao để nung chảy các hạt nhỏ của bột polyme.
Quy trình in SLS
1 Bột được phân tán thành một lớp mỏng trên nền tảng bên trong buồng xây dựng.
2 Máy in làm nóng trước bột đến nhiệt độ ngay dưới điểm nóng chảy của nguyên liệu thô. Điều này làm cho chùm tia laze dễ dàng tăng nhiệt độ của các vùng cụ thể của lớp bột vì nó theo vết mô hình để làm đông đặc một phần.
3 Tia laser quét một mặt cắt ngang của mô hình 3D, làm nóng bột đến ngay bên dưới hoặc ngay tại điểm nóng chảy của vật liệu. Điều này hợp nhất các hạt với nhau một cách cơ học để tạo ra một phần rắn. Bột không sử dụng hỗ trợ bộ phận trong quá trình in và loại bỏ sự cần thiết của các cấu trúc hỗ trợ chuyên dụng.
4 Nền xây dựng hạ thấp một lớp vào buồng xây dựng, thường là từ 50 đến 200 micron và máy sơn phủ phủ một lớp vật liệu bột mới lên trên. Sau đó, tia laser sẽ quét mặt cắt tiếp theo của tòa nhà.
5 Quá trình này lặp lại cho từng lớp cho đến khi các bộ phận hoàn thành, và các bộ phận đã hoàn thành được để nguội dần bên trong máy in.
6 Khi các bộ phận đã nguội, người vận hành sẽ tháo buồng chế tạo ra khỏi máy in và chuyển nó đến trạm làm sạch, tách các bộ phận đã in và làm sạch bột thừa.
SLS sử dụng tia laser để nung vật liệu nhựa dạng bột thành một cấu trúc rắn dựa trên mô hình 3D
Phục hồi một phần và xử lý sau
Quá trình xử lý sau thiêu kết bằng laser chọn lọc đòi hỏi thời gian và nhân công tối thiểu, đồng thời dẫn đến kết quả nhất quán cho các lô của nhiều bộ phận.
Sau khi hoàn tất công việc in, các bộ phận đã hoàn thành cần được lấy ra khỏi buồng chế tạo, tách rời và làm sạch bột thừa. Quá trình này thường được hoàn thành thủ công tại một trạm làm sạch bằng khí nén hoặc máy thổi phương tiện.
Các bộ phận SLS có bề mặt hơi nhám, sần sùi ngay khi ra khỏi máy in tương tự như giấy nhám trung bình. Nylon cung cấp một loạt các khả năng xử lý sau, chẳng hạn như nhào lộn, nhuộm, sơn, tráng men bếp, phủ kim loại, liên kết, sơn tĩnh điện và đổ khối.
Phục hồi vật liệu
Bất kỳ phần bột dư thừa nào còn lại sau khi thu hồi một phần được lọc để loại bỏ các hạt lớn hơn và có thể được tái chế. Bột chưa qua sử dụng sẽ phân huỷ một chút khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, do đó, nó nên được làm mới bằng vật liệu mới cho các công việc in tiếp theo. Khả năng tái sử dụng vật liệu cho các công việc tiếp theo khiến SLS trở thành một trong những phương pháp sản xuất ít lãng phí nhất.
Các loại hệ thống SLS
Tất cả các hệ thống thiêu kết laser chọn lọc được xây dựng dựa trên quy trình được mô tả ở trên. Sự khác biệt chính là loại laser và kích thước của khối lượng xây dựng. Các hệ thống khác nhau sử dụng các giải pháp khác nhau để kiểm soát nhiệt độ, phân phối bột và lắng đọng lớp.
Quá trình thiêu kết bằng laser chọn lọc đòi hỏi độ chính xác cao và sự kiểm soát chặt chẽ. Nhiệt độ của bột cùng với các bộ phận (chưa hoàn thiện) phải được kiểm soát trong vòng 2 ° C trong ba giai đoạn gia nhiệt sơ bộ, thiêu kết và bảo quản trước khi loại bỏ để giảm thiểu cong vênh, ứng suất và biến dạng do nhiệt.
Máy in 3D SLS công nghiệp
In 3D SLS công nghiệp đã được sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ phụ tùng cho nhà sản xuất xe tải lớn nhất thế giới cho đến quần áo in theo yêu cầu . Các hệ thống lớn nhất có thể in các bộ phận dài 1 mét.
Hệ thống in 3D SLS công nghiệp sử dụng một hoặc nhiều tia laser carbon dioxide công suất cao. Khối lượng xây dựng càng lớn, hệ thống càng phức tạp. SLS công nghiệp yêu cầu một môi trường trơ - nitơ hoặc các khí khác - để ngăn bột khỏi bị oxy hóa và biến chất. Do đó, quá trình thiêu kết laser chọn lọc công nghiệp đòi hỏi thiết bị xử lý không khí chuyên dụng. Các hệ thống này cũng yêu cầu nguồn điện công nghiệp; ngay cả những máy công nghiệp nhỏ nhất cũng cần không gian lắp đặt ít nhất 10 m².
Máy in 3D SLS để bàn
Máy in 3D SLS để bàn (như Fuse 1 của riêng Formlabs) đạt được sản lượng tương đương với các hệ thống công nghiệp ở dạng nhỏ gọn hơn, dễ quản lý hơn.
Benchtop SLS không yêu cầu cơ sở hạ tầng chuyên biệt và có thể dễ dàng phù hợp với không gian làm việc của bạn.
In 3D SLS để bàn sử dụng một diode hoặc laser sợi quang thay vì laser CO2 được sử dụng bởi các hệ thống công nghiệp để cung cấp chất lượng chùm tia ngang nhau với chi phí thấp hơn.
Diện tích xây dựng nhỏ hơn của máy để bàn cần ít sưởi hơn. Khi bột tiếp xúc với nhiệt độ cao trong một thời gian ngắn hơn, không cần khí trơ và thiết bị xử lý không khí chuyên dụng. Mức tiêu thụ năng lượng tổng thể ít hơn cho phép các hệ thống để bàn chạy trên nguồn AC tiêu chuẩn mà không cần cơ sở hạ tầng chuyên biệt.
Nhìn chung, máy in 3D SLS để bàn cung cấp khối lượng xây dựng giảm một chút và tốc độ chậm hơn so với các hệ thống SLS công nghiệp nhỏ nhất, đổi lại là diện tích nhỏ hơn đáng kể và chi phí thấp hơn.
So sánh Máy in 3D SLS
SLS ĐỂ BÀN SLS CÔNG NGHIỆP
Giá bán Bắt đầu từ $ 10.000 $ 200.000- $ 1.000.000 +
Khối lượng in Lên đến 165 x 165 x 320 mm Lên đến 550 x 550 x 750 mm
Ưu điểm Giá cả phải chăng
Quy trình làm việc được đơn giản hóa
Bảo trì thấp
Dấu chân nhỏ Khối lượng xây dựng lớn
Tỷ lệ sản xuất cao
Các lựa chọn vật liệu phong phú
Nhược điểm Khối lượng xây dựng trung bình Máy móc đắt tiền
Dấu chân lớn
Bảo trì cao
Yêu cầu người vận hành
So sánh dựa trên máy in 3D SLS để bàn của Formlabs Fuse 1 và các hệ thống SLS công nghiệp của EOS và 3D Systems.
Vật liệu in 3D SLS
Vật liệu phổ biến nhất để thiêu kết laser chọn lọc là nylon, một loại nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật phổ biến được yêu thích vì các đặc tính nhẹ, bền và linh hoạt của nó. Nylon ổn định trước tác động, hóa chất, nhiệt, tia UV, nước và bụi bẩn, lý tưởng cho việc tạo mẫu và sản xuất nhanh.
Nylon lý tưởng cho một loạt các ứng dụng chức năng, từ các sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật đến chăm sóc sức khỏe.
Nylon là một polyme nhiệt dẻo tổng hợp thuộc họ polyamit. Hai phiên bản thường được sử dụng để thiêu kết laser chọn lọc là Nylon 11 và 12, hoặc PA11 và PA12.
PA là tên viết tắt của polyamide, và các con số thể hiện số nguyên tử carbon trong vật liệu. Cả hai đều giống nhau về tính chất vật liệu, PA11 linh hoạt hơn một chút và chống va đập, trong khi PA12 mạnh hơn, chống mài mòn hơn và tương thích sinh học.
Thuộc tính vật liệu Nylon SLS
NYLON PA12 NYLON PA11
Sức căng 50 MPa 48 MPa
Mô-đun của Young 1850 MPa 1560 MPa
Kéo dài khi nghỉ 12% 35%
Nhiệt độ lệch nhiệt (HDT) 154 ° C @ 0,45 MPa 130 ° C @ 0,45 MPa
Nylon 11 và 12 đều là bột một thành phần, nhưng máy in 3D SLS cũng có thể sử dụng bột hai thành phần, chẳng hạn như bột phủ hoặc hỗn hợp bột. Vật liệu tổng hợp nylon với aluminide, carbon hoặc thủy tinh được phát triển để tối ưu hóa các bộ phận để có độ bền, độ cứng hoặc tính linh hoạt cao hơn. Với các loại bột hai thành phần này, chỉ thành phần có điểm chuyển tiếp thủy tinh thấp hơn mới được thiêu kết, kết dính cả hai thành phần.
Tại sao chọn SLS?
Các kỹ sư chọn phương pháp thiêu kết laser chọn lọc vì sự tự do trong thiết kế, năng suất và thông lượng cao, chi phí cho mỗi bộ phận thấp và hồ sơ theo dõi đã được chứng minh.
Tự do thiết kế
Hầu hết các quy trình sản xuất phụ gia, chẳng hạn như kỹ thuật in lập thể (SLA) và mô hình hóa lắng đọng hợp nhất (FDM), yêu cầu cấu trúc hỗ trợ chuyên biệt để chế tạo các thiết kế với các tính năng nhô ra.
Quá trình thiêu kết bằng laser chọn lọc không yêu cầu cấu trúc hỗ trợ vì bột không nung bao quanh các bộ phận trong quá trình in. In SLS có thể tạo ra các hình học phức tạp trước đây không thể thực hiện được, chẳng hạn như các bộ phận lồng vào nhau hoặc chuyển động, các bộ phận có các thành phần hoặc kênh bên trong và các thiết kế phức tạp khác.
Tay nẹp được thiết kế với hoa văn phức tạp để giảm trọng lượng.
Các kỹ sư thường thiết kế các bộ phận với khả năng của quá trình sản xuất cuối cùng, còn được gọi là thiết kế cho quá trình sản xuất (DFM) . Khi sản xuất phụ gia chỉ được sử dụng để tạo mẫu, nó bị giới hạn ở các bộ phận và thiết kế mà các công cụ sản xuất thông thường cuối cùng có thể tái tạo trong quá trình sản xuất.
Khi thiêu kết bằng laser có chọn lọc trở thành một phương pháp sản xuất nhanh khả thi cho ngày càng nhiều các ứng dụng sử dụng cuối, nó có tiềm năng giải phóng các khả năng mới cho thiết kế và kỹ thuật. SLS có thể in các thiết kế phức tạp trong một bản in mà thông thường sẽ yêu cầu nhiều bộ phận. Điều này giúp giảm bớt các mối nối yếu và cắt giảm thời gian lắp ráp.
Quá trình thiêu kết bằng laser chọn lọc có thể phát huy hết tiềm năng của thiết kế hiện đại bằng cách tạo ra các thiết kế nhẹ sử dụng cấu trúc mạng tinh thể phức tạp không thể sản xuất bằng các phương pháp truyền thống.
Năng suất và thông lượng cao
In SLS là công nghệ sản xuất phụ gia nhanh nhất cho các nguyên mẫu có chức năng, bền và các bộ phận sử dụng cuối. Các tia laser nung chảy bột có tốc độ quét nhanh hơn nhiều và chính xác hơn các phương pháp lắng đọng lớp được sử dụng trong các quy trình khác như FDM công nghiệp.
Nhiều bộ phận có thể được sắp xếp chặt chẽ trong quá trình in để tối đa hóa không gian xây dựng có sẵn trong mỗi máy. Người vận hành sử dụng phần mềm để tối ưu hóa từng bản dựng nhằm đạt năng suất cao nhất chỉ để lại khoảng trống tối thiểu giữa các bộ phận.
SLS cho phép người vận hành đóng gói buồng xây dựng với nhiều bộ phận phù hợp và in chúng mà không cần hỗ trợ để tiết kiệm thời gian xử lý hậu kỳ
Các bộ phận có thể được thêm vào bản dựng trong khi quá trình in đang diễn ra. Điều này tạo cơ hội cho các thay đổi thiết kế vào phút cuối hoặc thêm các lần lặp lại liên tiếp của một nguyên mẫu.
Vật liệu bền lâu đã được chứng minh
Chìa khóa cho chức năng và tính linh hoạt của SLS 3D là chất liệu. Nylon và vật liệu tổng hợp của nó được chứng minh là nhựa nhiệt dẻo chất lượng cao. Các bộ phận nylon thiêu kết bằng laser có mật độ gần 100% với các đặc tính cơ học tương đương với các bộ phận được tạo ra bằng các phương pháp sản xuất thông thường như ép phun.
Selective Laser Sintering (SLS) - Drill assembly printed in Nylon PA 12. Nylon parts can be easily post-processed to achieve smooth, professional surface finishes.
Cụm máy khoan được in bằng Nylon PA 12. Các bộ phận bằng nylon có thể dễ dàng được xử lý sau để đạt được bề mặt mịn, chuyên nghiệp.
Nylon SLS là một chất thay thế tuyệt vời cho các loại nhựa đúc phun thông thường. Nó cung cấp bản lề sống cao cấp, khớp vặn và các khớp cơ học khác so với bất kỳ công nghệ sản xuất phụ gia nào khác. Nó là lý tưởng cho các ứng dụng chức năng yêu cầu các bộ phận bằng nhựa sẽ tồn tại lâu dài ở những nơi mà các bộ phận được sản xuất bằng các phương pháp AM khác sẽ xuống cấp và trở nên giòn theo thời gian.
Chi phí cạnh tranh cho mỗi phần
Việc tính giá thành từng bộ phận thường yêu cầu hạch toán chi phí sở hữu thiết bị, nguyên vật liệu và nhân công:
Quyền sở hữu thiết bị: Máy móc có thể sản xuất càng nhiều bộ phận trong suốt thời gian tồn tại của nó, thì chi phí phân bổ cho từng bộ phận riêng lẻ càng thấp. Do đó, năng suất cao hơn dẫn đến chi phí sở hữu thiết bị trên cơ sở từng bộ phận thấp hơn. Với tốc độ quét nhanh của tia laser, việc lồng ghép các bộ phận để tối đa hóa dung lượng cấu tạo và xử lý sau đơn giản, in 3D SLS mang lại năng suất và thông lượng cao nhất trong tất cả các kỹ thuật sản xuất phụ gia nhựa.
Vật liệu: Trong khi hầu hết các công nghệ in 3D sử dụng vật liệu độc quyền, nylon là một loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến được sản xuất với số lượng lớn cho mục đích công nghiệp, làm cho nó trở thành một trong những nguyên liệu thô ít tốn kém nhất để sản xuất phụ gia. Hơn nữa, việc thiếu các cấu trúc hỗ trợ và bột có thể tái sử dụng có nghĩa là in SLS tạo ra chất thải tối thiểu.
Lao động: Gót chân Achilles của nhiều giải pháp in 3D là lao động. Hầu hết các quy trình đều có quy trình công việc phức tạp khó tự động hóa, điều này có thể ảnh hưởng đáng kể đến chi phí trên mỗi bộ phận. Quy trình xử lý sau đơn giản của in SLS có nghĩa là cần ít lao động hơn.
Chu kỳ phát triển sản phẩm giảm
Quá trình thiêu kết bằng laser có chọn lọc cho phép các kỹ sư tạo mẫu các bộ phận sớm trong chu kỳ thiết kế, sau đó sử dụng cùng một loại máy và vật liệu để sản xuất các bộ phận sử dụng cuối cùng. In 3D SLS không yêu cầu công cụ đắt tiền và tốn thời gian như sản xuất truyền thống, vì vậy nguyên mẫu của các bộ phận và cụm lắp ráp có thể được kiểm tra và dễ dàng sửa đổi trong vài ngày. Điều này làm giảm đáng kể thời gian phát triển sản phẩm.
Với chi phí thấp cho mỗi bộ phận và vật liệu bền, có khả năng, in SLS là một cách kinh tế để sản xuất các bộ phận phức tạp, tùy chỉnh hoặc một loạt các bộ phận nhỏ cho các sản phẩm cuối cùng. Trong nhiều trường hợp, thiêu kết bằng laser là một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí cho việc ép phun để sản xuất cầu hoặc chạy hạn chế.