Selective Laser Sintering (SLS): High-tech technologieën, geavanceerde materialen en uitbreidende toepassingen
[Afbeeldingscredit: 3D Hubs]
Selective Laser Sintering (SLS) is een van de meest populaire polymere 3D-printtechnologieën voor industriële toepassingen. Sinds zijn opkomst meer dan 30 jaar geleden, is SLS geleidelijk gerijpt tot een technologie capabel van functioneel prototyping en, meer recent, ook productie.
Deze evolutie wordt gedreven door lopende innovatie op het gebied van hardware en materialen, evenals de bereidheid van technologie-adopters om nieuwe SLS-toepassingen te ontwikkelen.
In vandaag's artikel kijken we naar de recente ontwikkelingen in SLS, om meer te leren over de huidige mogelijkheden en toekomstige kansen van de technologie.
Bekijk andere artikelen die de evolutie van 3D-printtechnologieën verkennen:
Metaal 3D-printen: Waar staan we vandaag?
Stereolithografie & Digital Light Processing: Waar staan we vandaag?
Hoe Desktop industriële 3D-printen transformeert
FDM 3D-printen: Waar staan we vandaag?
Alles wat u moet weten over Metal Binder Jetting (2019)
Een korte geschiedenis van SLS
Laser sinteren gebruikt een hoogvermogen laser om poedermaterialen laag voor laag te smelten. Een van de hoofvoordelen van SLS-printen is dat ontwerpen geen ondersteuningsstructuur nodig hebben. Terwijl de print gebouwd wordt, worden alle holle ruimtes automatisch gevuld met ongebruikt poeder, wat SLS-prints zelf-ondersteunend maakt.
Hoewel het concept van SLS-printen oorspronkelijk in de vroege jaren 1980 bedacht werd, was het pas in 1992 dat de eerste industriële SLS-printer gecommercialiseerd werd – DTM's Sinterstation 2000 (later samengevoegd met 3D Systems). Dit werd gevolgd door EOS's EOSINT P350 in 1994.
Sindsdien zijn een brede (en groeiende) reeks machines de markt binnengekomen, wat het begin markeerde van het tijdperk van snellere en groter-schalige printen in een industriële context.
Opvallende ontwikkelingen in SLS-hardware
De evolutie van EOS' SLS-technologie
Duits polymere en metaal 3D-printbedrijf EOS is misschien wel de grootste SLS-specialist op de markt. In 2016 claimde het bedrijf ongeveer 3000 units wereldwijd geïnstalleerd te hebben, 51% waarvan SLS-systemen zijn.
Door zijn 30-jarige geschiedenis heen, is EOS in staat geweest SLS te evolueren tot het niveau van een volwassen technologie, geschikt voor diverse toepassingen, zowel in prototyping als productie.
Een van de mijlpalens op deze reis is de lancering van de FORMIGA P 100 in 2006. Het systeem stelde standaarden voor de kwaliteit van industriële 3D-printen in de kunststofsector, vele jaren na introductie.
In 2012 lanceerde EOS een opvolger voor de FORMIGA 100, de FORMIGA P 110, die de beste laser sintermachine was in de Printer Guide 2018 enquête door 3D Hubs.
Met een totale bouwwgrootte van 200 × 250 × 330 mm, maakte de P 110 meer kosteneffectief laag-volume printen mogelijk en werd gebruikt voor medium-gegrote prototype builds en onderdelen met hoog complexe geometrieën.
Snel vooruit naar 2018, werd de P 110 verbeterd tot de FORMIGA 110 Velocis. Het heeft een verbeterd, versneld verwarmingssysteem en herlaagproces, en gebruikt softwarecontrole om de polymere materialen met een 30-watt laserstraal op een hogere snelheid voor te verwarmen.
Nu, met additionele technische verbeteringen en verfijning, bereikt de Velocis tot 20% productiviteitsverhoging en betere temperatuurdistributie voor het bouwarea, wat resulteert in een meer homogene onderdeelkwaliteit.
Hoog-temperatuur SLS
Terwijl het meest gebruikte materiaal in SLS nylon blijft, wilde EOS ook de verwerking van geavanceerdere materialen mogelijk maken, zoals PEEK, die typisch hoge temperaturen vereisen om te printen.
Dit resulteerde in het eerste hoog-temperatuur SLS-platform, de EOSINT P 800, onthuld in 2008. Het is capabel van polymeren tot een temperatuur van ongeveer 385°C te verwerken, wat SLS-technologie uitbreidde tot een nieuw bereik van thermoplasten, namelijk PEEK.
10 jaar later voegde EOS de EOS P 810 toe aan zijn hoog-temperatuur 3D-printer reeks. Het nieuwe systeem wordt geclaimd als de werelds eerste hoog-temperatuur laser sintersysteem geoptimaliseerd voor koolstofvezel-versterkt PEKK-materiaal.
Voortdurende innovatie: FDR en LaserProFusion Technologieën
EOS' verbeteringen en innovaties op het gebied van SLS-technologie zijn lopend. Bijvoorbeeld, op dit jaar Formnext, toonde EOS zijn Fine Detail Resolution (FDR) polymere-gebaseerde 3D-printtechnologie. Het nieuwe proces gebruikt een CO-laser om delicate, doch robuuste, polymere componenten te 3D-printen met fijn detailresolutie-oppervlakken en een minimum wanddikte van 0,22 mm.
EOS claimt de eerste fabrikant te zijn die een CO-laseroplossing voor poeder-gebaseerde industriële 3D-printen heeft ontwikkeld. De meerderheid van huidige SLS-machines gebruikt één of een paar CO₂-lasers.
Het CO-laser-type creëert een ultra-fijne laserstraal met een focus-diameter die naar verluidt half zo groot is als huidige SLS-technologieën. Een belangrijk gevolg van deze toegevoegde precisie is nieuwe blootstellingsparameters die kunnen resulteren in onderdelen met extreem fijn oppervlak.
De nieuwe technologie kan gebruikt worden om filterunits en vloeistofkanalen, stoppen en andere elektronische componenten, alsmede consumentengoederen, zoals brillen, te 3D-printen.
Terwijl FDR-technologie gericht is op delicate componenten, is een andere – nog niet gecommercialiseerde – oplossing van EOS, LaserProFusion-technologie, ontworpen voor maximale productiviteit.
EOS gaat het LaserProFusion-systeem uitrusten met tot 1 miljoen diodelasers, capabel van meer dan 5 kilowatt geaccumuleerd laservermogen. Deze technologie is primair gericht op het voldoen aan de eisen van serieproductie, en EOS stelt dat het als alternatief voor injectiegieten in veel toepassingen gebruikt kan worden.
Sinds de lancering van de eerste SLS 3D-printer 26 jaar geleden, is EOS een van de sleuteldrijfveren geweest achter de opmerkelijke vooruitgang in SLS-technologie. Het heeft continu de visie van SLS als een serieproductieoplossing nagejaagd, wat uiteindelijk realiteit wordt.
Farsoon's Flight Technologie
Een ander bedrijf dat SLS-technologie wil revolutioneren, is Farsoon. Om SLS nog sneller en nauwkeuriger te maken, benut Farsoon de kracht van een vezellaser in zijn nieuwe Flight-technologie.
Terwijl huidige SLS-machines CO₂-lasers gebruiken, heeft de Chinese 3D-printerfabrikant de standaard CO₂-laser vervangen door een vezellaser.
Een vezellasersysteem is capabel van meer vermogen aan het poederbed te leveren en de energieverdeling aan het materiaal te verbeteren. Dit komt doordat een vezellaserstraal een kleinere laserspot-grootte mogelijk maakt. Dit vertaalt zich in hogere energiedichtheid, wat het poeder in kortere tijd laat sinteren.
Naast een vezellaser, ontwikkelde Farsoon ook een nieuw scanningsysteem, wat resulteert in een scanningsnelheid van meer dan 20 m/s. Dit is ongeveer 4 keer dat van vergelijkbare technologieën. Verder maakt de toegevoegde kracht van een laser kenmerkdetails van zo klein als 0,3 mm mogelijk.
Ontworpen om de adoptie van SLS 3D-printen voor hoge-volume productie te drijven, is Flight-technologie zeker een stap vooruit in deze richting.
SLS 3D-printen met twee poeders
Terwijl EOS en andere gevestigde SLS-spelers voornamelijk gericht zijn op lineaire innovatie, heeft Belgisch startup Aerosint een radicale aanpak genomen om een SLS-systeem te ontwikkelen dat met twee verschillende poeders kan printen. Dit stelt de machine in staat om één van de poeders als goedkoop ondersteuningsmateriaal te gebruiken.
Normaal is het ongesmolten ondersteuningspoeder in een SLS-machine hetzelfde materiaal dat gebruikt wordt om een onderdeel te printen, en het neigt duur te zijn. Natuurlijk zou dit geen probleem zijn als het poeder 100% herbruikbaar was, wat momenteel onmogelijk is.
Een reden is dat, in het SLS-proces, polymeren blootgesteld worden aan hoge hitte voor lange periodes, waardoor ze chemische veranderingen ondergaan die hun sinterkarakteristieken veel minder voorspelbaar maken. Momenteel is de enige manier om dit probleem op te lossen door 'gebruikt-maar-ongesmolten' poeder te mengen met ongeveer 50% virgin poeder, om het voor de volgende build te verfrissen.
Geschat door een dienstverlener, van de 500 kg poeder die per maand gekocht wordt, 'wordt 25% een onderdeel, 25% is afval en 50% wordt hergebruikt voor het verfrissen van de volgende build'.
Het introduceren van een machine die goedkoop ondersteuningsmateriaal en een tweede materiaal voor onderdeelprinten kan gebruiken, zou een significant bedrag kunnen besparen voor diegenen die SLS-processen gebruiken.
Aerosint's technologie, Selective Powder Deposition, bereikt dit door poedermateriaal selectief te depositeren vanuit een roterende trommel die over een bouwarea passeert. Een trommel depositeert één materiaal, dus ten minste twee trommels worden gebruikt om multi-poederdepositie te bereiken.
Aerosint's techniek is inherent lijn-voor-lijn en kan printsnelheden van tot 200 mm/s bereiken. Deze snelheid is vergelijkbaar met huidige SLS-recoater-reissnelheden.
De volwassenwording van deze technologie zal een zee van kansen voor fabrikanten ontgrendelen, inclusief de voordelen van verminderde poedervervulling, materiaalkostenbesparing en verminderde post-processing-tijd.
SLS 3D-printers naar een compact formaat brengen
In 2014 zag de SLS-mark een nieuwe gewas aan bedrijven die voordeel putten uit de verlopen van het originele SLS-octrooi en ernaar streven de technologie meer betaalbaar te maken.
De startups, zoals Sinterit, Sharebot, Sintratec en, recenter, Formlabs, gingen de race aan voor compact-formaat SLS 3D-printen.
Sharebot was het eerste bedrijf dat een workbench SLS-machine op de markt bracht met SnowWhite, die in 2016 begon te shippen naar klanten. In tegenstelling tot de systemen van Sintratec en Sinterit, die uitgerust zijn met diodelasers, heeft SnowWhite een krachtigere CO2-laser, die gemeenschappelijk geïnstalleerd is op high-end professionele machines.
De laser en een kleine 100 x 100 x 100 mm bouvolume, wat printen met zo min als 300 g poeder mogelijk maakt, maakt het SnowWhite-systeem bijzonder geschikt voor materiaalontwikkelingsapplicaties.
Een andere grote speler in dit veld is het Poolse bedrijf Sinterit, met zijn Sinterit Lisa-systeem, dat een voorloper blijft in dit groeiende marktsegment. Vanaf €6.990, heeft Sinterit Lisa een bouvolume van 150 x 200 x 150 mm en een minimale laagresolutie van 0,075 micron, wat het geschikt maakt voor kleine bedrijven die een introductie tot SLS-technologie willen zonder te veel kapitaal in bulkey apparatuur te investeren.
Vorig jaar lanceerde het bedrijf ook de Sinterit Lisa Pro, de nieuwste workbench SLS 3D-printer.
Een potentiële significante innovatie in dit segment zou Fuse 1 kunnen zijn, een SLS 3D-printer die aangekondigd werd door desktop Stereolithografie-leider Formlabs in 2017. Met een bouvolume van 165 x 165 x 320 mm en een vezellaser, is het systeem geprijsd rond $10.000 en gepland voor commerciële release mid-2020.
De instroom van goedkopere desktop FDM en SLA/DLP 3D-printers aan het begin van de jaren 2010, veroorzaakte ontwrichting in de industrie, terwijl het significant bijdroeg aan de groei van de AM-industrie. Betaalbare SLS is pas aan het begin van deze reis en zou een vergelijkbaar pad kunnen volgen. Dit zal uiteindelijk de bereik van SLS uitbreiden naar een breder scala aan industrieën en gebruikers.
De evolutie van SLS-materialen
De eerste SLS 3D-printers gebruikten meest algemeen nylon, een populair engineering-thermoplast, geprezen om zijn lichtgewicht eigenschappen, sterkte en duurzaamheid. Nylon, ook bekend als polyamide (PA), is stabiel tegen impact, chemicaliën, hitte, UV-licht, water en vuil, wat het ideaal maakt voor zowel rap prototyping als productie.
Vandaag blijft nylon nog steeds het meest populaire SLS-materiaal. Echter, de vooruitgang in technologie en 3D-printmaterialen maakte de opkomst van nylon-gebaseerde composieten mogelijk – materialen gemengd met koolstofvezel, glasvezel en aluminium om de mechanische en thermische eigenschappen van polyamide nog verder te verbeteren.
Naast nylon, kunnen vandaag's SLS 3D-printers ook PEEK, PEKK, flexibele TPU's, vlamvertragende polymeren en antistatische polymeren verwerken. De mogelijkheid om hoog-presterende materialen te verwerken, is strak verbonden met technologie-innovatie. Zoals in het EOS-voorbeeld, moest het bedrijf eerst een hoog-temperatuur 3D-printer creëren voordat het in staat was materialen zoals PEEK te printen.
Nieuwe SLS-materialen
De ontwikkelingsnelheid van nieuwe materialen voor SLS is ook bemoedigend.
Italiaans 3D-printbedrijf CRP Technology is misschien wel een van de sleutel-onafhankelijke ontwikkelaars van SLS-materialen, beroemd om zijn Windform-merken. Het bedrijf biedt een reeks nylon-gebaseerde composieten en rubber-achtige kunststofpoeders.
De meest recente toevoegingen aan de Windform-lijn zijn Windform FR1 en Windform FR2 – vlamvertragende composieten, geschikt voor luchtvaarttoepassingen (bijv. interieurdelen, cockpitcomponenten, luchtkanalen en luchtuitlaatkleppen); transportonderdelen (voertuiginterieurs, behuizingen en behuizingsassemblages) en consumentengoederen en elektronica (verlichting en apparaten).
Chemisch bedrijf DSM heeft recent ook stapel lopen om materialen voor SLS te ontwikkelen. Dit resulteerde in een Polybutylene Terephthalate (PBT) poeder dat vorig jaar vrijgegeven werd. Interessant specificereert DSM dat het materiaal eigenlijk het eerste PBT-poeder is dat commercieel beschikbaar is gemaakt voor SLS 3D-printen. PBT is een thermoplastisch engineering-polymere met toepassingen in de elektronica-industrie, dankzij zijn isolerende eigenschappen.
Verder biedt Forward AM, een dochteronderneming van een chemische reus, BASF, een reeks SLS-materialen onder de Ultrasint-merken. Vlamvertragend Ultrasint Polyamide PA6 Black FR-materiaal is de nieuwste in deze reeks en beschikt over hoge stijfheid en goede thermische stabiliteit. Volgens Forward AM is het al gebruikt om nieuwe componenten voor voertuigen te produceren die voldoen aan voertuigbrandbeschermingsvereisten.
Zowel BASF als DSM hebben recent SLS 3D-printers van de Franse fabrikant Prodways aangeschaft. Met een verhoogde SLS-capaciteit zullen de twee chemische bedrijven in staat zijn hun ontwikkeling van geavanceerde materialen voor SLS 3D-printen te versnellen.
Post-processing in SLS
Terwijl SLS-technologie de noodzaak voor ondersteuningsstructuur-ontwerp en -verwijdering elimineert, is het niet zonder post-processing-uitdagingen. De grootste is de noodzaak om het overtollige poeder dat op het oppervlak van een onderdeel zit en soms in een onderdeel vastzit, te verwijderen.
Momenteel worden deze uitdagingen aangepakt door handmatig wassen en reinigen, en traditionele technieken, zoals korrelstraalen en tumblen.
Echter, deze methoden vereisen veel handmatige interventie, wat het risico op beschadiging van kwetsbare geometrieën verhoogt en inconsistente eindonderdelen produceert.
Wat betreft oppervlakteafwerking, worden SLS-onderdelen vaak gladgestreken door schuren en het gebruik van semi-geautomatiseerde apparatuur die typisch niet voor 3D-printen ontworpen is. Deze benaderingen zijn niet praktisch om vol profit te trekken van een SLS-printers capaciteiten en om op te schalen naar grotere productievolumes.
Gelukkig ontwikkelen verschillende industriespelers geautomatiseerde oplossingen voor SLS-onderdelen post-processing.
PostProcess Technologies biedt bijvoorbeeld oplossingen aangedreven door zijn Thermal Atomized Fusillade (TAF) technologie, waarin twee loodrechte enkel-as straalstralen, samengesteld uit gecomprimeerde lucht, detergent en opgeschorte vastestoffen, gerichte blast-reeksen leveren, terwijl 360° onderdeeldraaiing voor maximale oppervlakteblootstelling zorgt.
Dan het Britse bedrijf AMT, gaat later dit jaar een geautomatiseerde depoederingsoplossing lanceren.
Uiteindelijk zal het overschakelen van handmatig naar geautomatiseerd depoederen helpen de SLS 3D-printworkflow significant te optimaliseren, niet alleen door handmatige arbeidstijd te verminderen, maar ook door bedrijven in staat te stellen hun SLS-productie efficiënter te schalen.
SLS-toepassingen: Een groeiend gebruik in productie
Terwijl SLS-technologie blijft gebruikt in prototyping, wordt het steeds populairder voor functioneel onderdeeltesten, alsook productietoepassingen.
Luchtvaart
De luchtvaartindustrie gebruikt bijvoorbeeld SLS om interieurdelen van vliegtuigen te creëren. Een voorbeeld is Emirates, de grootste luchtvaartmaatschappij in de VAE. De luchtvaartmaatschappij gebruikt 3D-printen om vliegtuigcabine-componenten te produceren, inclusief videomonitoring-kappen en ventilatierosters. De laatste zijn al gecertificeerd en geïnstalleerd voor boordproeven op Emirates-vliegtuigen.
Emirates werkt samen met 3D Systems om de videomonitoring-kappen te produceren, met SLS-technologie en 3D Systems' DuraForm ProX FR1200 Nylon-materiaal, wat voldoet aan de vlamvertragingsdrempels die de luchtvaartindustrie vereist voor interieurcabine-onderdelen.
Consumentengoederen
In de consumentengoederen-industrie is Chanel pionier in het gebruik van SLS 3D-printen voor mascara-borstels. Het merk print nu miljoenen mascara-borstels, in samenwerking met de Franse 3D-print-dienstverlener Erpro Group.
Met SLS-technologie is het ontwerp van de borstel geoptimaliseerd – bijvoorbeeld verbetert de ruwe, granulatie tekstuur, bereikt met SLS-technologie, de hechting van de mascara aan de wimpers.
Naast beauty-producten, wordt SLS steeds vaker gebruikt in de medische en schoenenvelden om gecustomiseerde voetbedden en sandalen te produceren.
Motorsport
In motorsport kan de technologie race-teams helpen om autodesigns te innoveren en ze sneller te testen dan traditionele technologieën toestaan.
Alfa Romeo's Sauber Formula One (F1) team is een goed voorbeeld van hoe een motorsport-bedrijf SLS 3D-printen kan benutten.
SLS wordt voornamelijk gebruikt voor de aerodynamische ontwikkeling van de Alfa Romeo F1-auto in de windtunnel, alsook een brede verscheidenheid aan laminerende vormen, kernen en complexe seriële onderdelen.
Tijdens productie gebruiken ze een poeder-gebaseerd materiaal, ontwikkeld door Sauber Engineering, dat gebruikt wordt wanneer bijzonder lichte en starre componenten vereist zijn, van F1-remventilatie en carrosseriecomponenten voor pre-productie voertuigen en prototypes, tot een breed bereik aan klare-bouw constructie-elementen.
De hemel is de limiet voor SLS-toepassingen. Gegeven de recente ontwikkelingen in SLS-materialen en technologie, klinkt deze uitspraak met name waar.
SLS: Een van de beste keuzes voor polymere 3D-printen
De SLS 3D-printmarkt is in een staat van continue evolutie. De technologie wordt gedemocratiseerd met de introductie van compacte en betaalbare workbench-systemen. Tegelijkertijd leggen fabrikanten van industriële SLS-apparatuur een grotere focus op oplossingen die helpen SLS te vestigen als een productietool.
Als resultaat neemt het volume projecten, bereikt met SLS-technologie, stapsgewijs toe.
Bewijs hiervoor is het feit dat meer dan 75% van 3D-printprojecten SLS-methoden gebruikten in 2019, volgens het Sculpteo-rapport. Een les hier is dat SLS beschouwd wordt als een van de beste keuzes voor polymere 3D-printen. We geloven dat dit zowel in de nabije als verre toekomst geldig blijft.
3d printen
- Freespindel Prestaties: Belangrijkste Specificaties & Toepassingen
- Ontdek 9 essentiële draadgereedschappen en hun belangrijkste toepassingen
- PA11 vs. PA12: Het Juiste SLS Materiaal Kiezen voor Uw 3D-print
- 5G & IoT: Drijvende Krachten van Next-Gen Supply Chain Veerkracht
- Hoe Medische Materialen Orthopedische Chirurgie Getransformeerd Hebben
- Kunststof Extrusie Onder de Loep: Proces, Materialen & Belangrijke Toepassingen
- Cellulaire IoT en Bluetooth LE combineren: een synergistische benadering voor next-gen connectiviteit
- IoT-apparaten Ontwerpen Voor LTE En NB‑IoT: Expert Inzichten Over Antenne-integratie En Certificering
- 4 Belangrijkste Toepassingen van Hafnium: Van Elektronica tot Luchtvaart
- 13 Types Refractaire Materialen en Hun Belangrijkste Industriële Toepassingen
- K 2019 Highlights: Innovatieve Harsen en Circulaire Economie Doorbraken