Las impresoras SLS 3D utilizan un láser de alta potencia
para fundir pequeñas partículas de polvo de polímero.
Las impresoras SLS 3D utilizan un láser de alta potencia
para fundir pequeñas partículas de polvo de polímero.
(Selective láser Sintering – SLS) es una manufactura aditiva (MA) que utiliza un láser para sinterizar material plástico en polvo dentro de una estructura sólida en base a un modelo 3D. La tecnología SLS fue la mejor elección para la ingeniería de desarrollo por décadas. Bajo costo unitario, alta productividad y materiales estandarizados convierten esta tecnología en la ideal para una gran cantidad de aplicaciones. Los avances recientes en máquinas, materiales y software convirtieron al SLS un método más accesible, permitiendo que más y más empresas usen herramientas anteriormente limitadas a algunas industrias de alta tecnología.
La sinterizacion láser selectiva fue una de las primeras técnicas de fabricación aditiva, desarrollada a mediados de la década de los 80 por el Dr. Carl Deckard y el Dr. Joe Beaman de la Universidad de Texas en Austin. Su método fue desde entonces adaptado para trabajar con una variedad de materiales, incluyendo plásticos, metales, vidrios, cerámica y otros compuestos en polvo. Hoy en día, estas tecnologías se clasifican colectivamente como procesos de fabricación aditiva de fusión en polvo, por el cual la energía térmica sinteriza selectivamente las regiones de polvo alojado en una estructura sólida.
Los dos sistemas de fusión en polvo más comunes hoy en día son: 1) de base plástica, comúnmente denominado siterizacion láser selectiva (SLS) y 2) de base metal, conocidos como sinterización directa de metal láser (DMLS) o fusión láser selectiva (SLM). Hasta hace poco, todos estos sistemas eran prohibitivamente caros y complejos, limitando su uso a pequeñas cantidades de alto valor o piezas personalizadas, como componentes aeroespaciales o dispositivos médicos. La innovación en el campo surgió recientemente, y el SLS basado en plástico ahora está listo para seguir el camino hacia sistemas compactos y más accesibles, así como sucedió con otras tecnologías de impresión 3D como la estereolitografía (SLA) y el modelado de deposición fundida (FDM).
La máquina posee dos cámaras. Una de alimentación de polvo y otra de fabricación. El polvo se coloca en la plataforma de alimentación y se va pasando por capas finas a la cámara de fabricación, donde el láser va sinterizando lo necesario capa a capa. Para comenzar, una vez cargado el polvo, la impresora lo precalienta hasta una temperatura por debajo del punto de fusión de la materia prima. Esto hace que sea más fácil para el láser elevar luego la temperatura de las regiones específicas a sinterizar.
El láser sinteriza una sección transversal del modelo 3D, calentando el polvo hasta su punto de fusión, lo que crea una parte sólida. Luego, la plataforma baja una capa dentro de la cámara de fabricación (típicamente entre 50 a 200 micrones) y un recubrimiento aplica una capa de polvo virgen en la parte superior. El láser entonces sinteriza la siguiente sección transversal del modelo. Este proceso se repite para cada capa hasta que las piezas estén completas. El polvo no fundido soporta la pieza durante la impresión, lo que elimina la necesidad de estructuras de soporte dedicadas.
Cuando las piezas están listas, se dejan un tiempo para curado gradual dentro de la impresora que de manera controlada baja la temperatura de las cámaras. Y para finalizar, las piezas deben ser removidas de la cámara de fabricación, separadas del bloque de polvo y limpias del exceso de polvo. Este proceso normalmente se completa manualmente en una estación de limpieza utilizando aire comprimido o algún sistema de arenado. Las piezas SLS tienen un acabado de superficie ligeramente áspero y granulado después de ser retiradas de la impresora, similar a una lija de grano medio. El Nylon ofrece una variedad de posibilidades para el post-procesamiento como pintura, teñido, revestimiento metálico y revestimiento en polvo, entre otras. Cualquier exceso de polvo que permanece después de la recuperación parcial se filtra para eliminar las partículas más grandes y puede ser reciclado. El polvo no sinterizado se degrada ligeramente con la exposición a altas temperaturas, por lo que debe actualizarse con material nuevo para trabajos de impresión subsiguientes. Esta capacidad de reutilización de material para trabajos posteriores hace del SLS uno de los métodos de fabricación con menor desperdicio.
Todos los sistemas SLS se construyen alrededor del proceso descrito anteriormente. Los principales diferenciadores son el tipo de láser y el tamaño de la cámara de impresión. Diferentes sistemas emplean soluciones diversas para el control de temperatura, distribución de polvo y deposición de capa. La sinterización selectiva láser requiere un alto nivel de precisión y control. La temperatura del polvo junto con las partes (incompletas) debe ser controlada dentro de un margen de 2 ° C durante las tres etapas de precalentamiento, sinterización y almacenamiento antes de la remoción, para minimizar la deformación, tensiones y distorsión inducida por el calor.
Los sistemas Benchtop SLS (como Sinterit) logran resultados comparables a los sistemas industriales de una forma más compacta y manejable. Son sistemas 100% Plug and play, lo que quiere decir que no es necesario ser un usuario tecnológicamnete avanzado. En estos equipos, la impresora precalienta el polvo hasta una temperatura por debajo del punto de fusión de la materia prima. Esto hace que sea más fácil para el láser siterizar luego las regiones específicas de polvo y así, solidificar una pieza. El polvo no sinterizado soporta la pieza durante la impresión y elimina la necesidad de estructuras de soporte dedicadas. La plataforma baja una capa dentro de la cámara de fabricación (típicamente entre 50 a 200 micrones) y un recubrimiento aplica una nueva capa de polvo en la parte superior. El láser entonces sinteriza la siguiente sección transversal del diseño. Este proceso se repite para cada capa hasta que las piezas se completan. Luego de un curado gradual, pueden retirarse las piezas terminadas de la impresora.
El SLS industrial ha sido utilizado para innumerables aplicaciones, desde piezas de repuesto para el mayor fabricante de camiones del mundo hasta ropas impresas a pedido. Los mayores sistemas pueden imprimir piezas de 1 metro de longitud. Los sistemas SLS industriales utilizan uno o varios láseres de dióxido de carbono de alta potencia. Cuanto mayor sea el volumen de compilación, más complejo es el sistema. El SLS industrial requiere un ambiente inerte - nitrógeno y otros gases - para evitar que el polvo sea oxidado y degradante. Así, el SLS industrial requiere equipo especializado en tratamiento de aire. Estos sistemas también requieren un tamaño industrial; Incluso las máquinas industriales más pequeñas necesitan espacio de instalación de al menos 10 m².
Los sistemas de escritorio utilizan un diodo o un láser de fibra en lugar de los láseres de CO² utilizados por sistemas industriales para proporcionar calidad de haz igual a un costo menor. Y al ser un área de impresión menor, la construcción de la pieza requiere menor calentamiento. De esta forma la exposición de la pieza al calor es, también, por un tiempo mucho menor, esto reduce la existencia de gases inertes y la necesidad de equipos especializados para tratamiento de aire. El consumo eléctrico del sistema es menor, lo que permite que los sistemas de escritorio funcionen con energía CA estándar sin infraestructura especializada. En general, los sistemas de escritorio ofrecen un volumen de construcción ligeramente reducido y una velocidad más lenta en comparación con los sistemas SLS industriales más pequeños, a cambio de una infraestructura más asequible y costos reducidos.
El material más común para la sinterización selectiva láser es el nylon, un termoplástico de ingeniería popular, amado por sus propiedades ligeras, fuertes y flexibles. El nylon es estable contra impactos, productos químicos, calor, luz UV, agua y suciedad. Es un polímero termoplástico sintético que pertenece a la familia de poliamidas. Sus dos versiones comúnmente usadas para SLS son Nylon 11 y 12, o PA11 y PA12. PA es la abreviatura de poliamida, y los números representan el número de átomos de carbono en el material. Ambos son similares en las propiedades del material, pero el PA11 es ligeramente más flexible y resistente al impacto, mientras que el PA12 es más fuerte, más resistente a la abrasión y biocompatible.
Nylon 11 y 12 son polvos de un solo componente, pero las impresoras SLS 3D también pueden utilizar polvos de dos componentes, como post recubiertos o mezclas en polvo. Otros compuestos de nylon con alúmina, carbono o vidrio se desarrollan para optimizar piezas para mayor resistencia, rigidez o flexibilidad.
Los ingenieros eligen SLS por su libertad de diseño, alta productividad, bajo costo por pieza y eficiencia de impresión comprobada. La mayoría de los procesos de fabricación de aditivos, como la estereolitografía (SLA) y el modelado por deposición fundida (FDM), requieren estructuras de soporte especializadas para fabricar proyectos con "overhangs" (Partes voladizas). La sinterización selectiva por láser no requiere estructuras de soporte porque el polvo no sinterizado envuelve las piezas durante la impresión.
El SLS puede producir geometrías previamente imposibles, como piezas interconectadas o móviles, piezas con componentes o canales internos y otros proyectos altamente complejos. Es común que la fabricación de aditivos se utilice sólo para prototipos y se limite a piezas y diseños que las herramientas de fabricación convencionales puedan lograr, proceso también conocido como diseño para fabricación (DFM). De este modo el SLS se convierte en un método de fabricación viable para un número creciente de aplicaciones de uso final, y con el potencial de desencadenar nuevas posibilidades de diseño e ingeniería. El SLS puede imprimir piezas complejas y móviles en una sola impresión. Esto ayuda a aliviar la fragilidad de las uniones y reduce el tiempo de montaje. La sinterización selectiva por láser puede potenciar al máximo el diseño industrial, permitiendo piezas livianas que emplean estructuras de red complejas imposibles de fabricar con métodos tradicionales.
SLS es la tecnología de fabricación aditiva más rápida para prototipos funcionales y duraderos y piezas de uso final. Los láseres que funden el polvo tienen una velocidad de barrido mucho más rápida y son más precisos que los métodos de deposición de capas usados en otros procesos, como el FDM industrial. Varias piezas pueden ser colocadas en serie para maximizar el espacio de construcción disponible en cada máquina. Los operadores utilizan softwares para optimizar cada compilación, y aprovechar la mayor productividad, dejando sólo una distancia mínima entre las partes.
La clave para la funcionalidad y versatilidad de la impresión SLS 3D es el material. Nylon y sus compuestos son comprobados, termoplásticos de alta calidad. Las piezas de nylon sinterizadas con láser poseen cerca de 100% de densidad con propiedades mecánicas comparables a las creadas con métodos de fabricación convencionales, como moldeo por inyección. El nylon SLS es un óptimo sustituto para plásticos de moldeo por inyección común. Es ideal para aplicaciones funcionales que requieren piezas de plástico de larga duración a lo largo del tiempo.
El cálculo del costo unitario generalmente requiere contemplar la amortización del equipo, el material y la mano de obra:
La sinterización láser selectiva permite realizar prototipos y piezas de uso final en la misma máquina y con el mismo material y sistema. De esta forma, como el SLS no requiere equipos costosos ni altos tiempos de fabricación (en comparación con los sistemas de fabricación tradicional) los prototipos de piezas y montajes pueden ser probados y fácilmente modificados hasta llegar a su versión final. Esto reduce drásticamente el tiempo de desarrollo de un producto. Debido a su bajo costo por pieza y materiales versátiles y duraderos, el SLS es una manera económica de producir piezas complejas y personalizadas o una serie de pequeños componentes para productos finales. En muchos casos, el SLS es una alternativa económica para el moldeado por inyección para la fabricación de puente limitado o puente.
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