Hoe Selective Laser Sintering (SLS) 3D CAD-ontwerpen Omzet in Vaste Onderdelen

SLS in Additive Manufacturing wordt gebruikt om 3D CAD-ontwerpen in fysieke onderdelen om te zetten, in een kwestie van uren.

Wat is de Selective Laser Sintering-definitie? SLS staat voor Selective Laser Sintering, een 3D-print of Additive Manufacturing (AM)-techniek. SLS gebruikt een proces genaamd sinteren, waarbij poedermateriaal wordt verhitt tot nabij-smelttemperaturen, waardoor deeltjes aan elkaar binden om een vast deel te vormen.

SLS kan een brede verscheidenheid aan materialen gebruiken — meest voornaamlijk nylon, maar soms ook kunststoffen en metalen.

Vanwege de mogelijkheid om eerdere "onmogelijke" onderdelen te produceren (lees verder voor meer informatie) en de hoge herwinbaarheid van materialen, is SLS sinds de commercialisatie in de vroege jaren '90 populair in industriële omgevingen.

SLS werd initieel in de jaren '80 ontwikkeld door Carl Deckard en Joe Beaman onder de sponsoring van de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), een onderzoek- en ontwikkelingsagentschap van het Amerikaanse Ministerie van Defensie.

Hoewel SLS-technologie verre van nieuw is, wordt het nog steeds primair gebruikt voor industriële toepassingen. De precieze laser die in het SLS-proces gebruikt wordt, maakt zeer nauwkeurige productie mogelijk, zelfs van complexe onderdelen. Om die reden wordt SLS wijdverspreid gebruikt voor rapid prototyping en de productie van laag-volume maatwerkonderdelen.

Aan de andere kant maakte het gebruik van krachtige lasers en poedermateriaal het onpraktisch voor de meeste kleinschalige of thuisgebruik, met name omdat SLS-printers aanzienlijk duurder zijn dan andere populaire technologieën zoals Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-printers.

Meer recentelijk hebben ontwikkelingen in powder bed fusion-technologieën het belang voor SLS hernieuwd, dat nu achter FDM en Stereolithografie (SLA) in populariteit schuilt.

Selective Laser Sintering (SLS): Pre-Processing van SLS-modellen

Elke Additive Manufacturing (AM)-techniek heeft zijn beperkingen, en SLS (Selective Laser Sintering) is geen uitzondering. In het bijzonder is SLS niet geschikt voor het printen van scherpe randen of dunne wanden, en ontwerpen die deze kenmerken incorporeren, moeten tijdens pre-processing worden aangepast. Bijvoorbeeld:

• Onderdelen met dunne wanden kunnen geanalyseerd worden met een ontwerpproduct dat een dunne wanden analyse-functie bevat. Deze functie simuleert het printproces, wat de ontwerper helpt vast te stellen of hun ontwerp waarschijnlijk succesvol zal printen. Als niet, kunnen ze passende wijzigingen aanbrengen vóór het printen.
• Voor onderdelen met scherpe randen, kunnen ontwerpers de filleting-functie van hun CAD-software gebruiken om die randen af te ronden ter voorbereiding op een succesvolle print.

Een paar additionele punten om in gedachten te houden:

• Als een project overmatig complexe geometrieën omvat, kunnen ontwerpers geometrie-vereenvoudigingstools gebruiken tijdens hun datavoorbereiding voor SLS om ervoor te zorgen dat hun ontwerp klaar is voor printen.
• Evenzo, om gewicht te besparen, worden veel SLS-onderdelen hol geprint, en kunnen ontwerpers geautomatiseerde tools gebruiken om hun ontwerpen 'uit te hollen' en ontvluchtingsgaten op te nemen om ongesinterd materiaal na het printen te laten verwijderen.
• Als je werkt met volledig-functionele ontwerpsoftware, moeten ontwerpers simulatiemodellering-technieken gebruiken om te zien hoe hun ontwerp waarschijnlijk zal presteren tijdens het printproces en wanneer onderworpen aan real-world gebruik.

Ten slotte, voordat een 3D-model klaar is om te printen, moet het 'gesneden' worden in 2D-lagen (ook bekend als dwarsdoorsneden) die de SLS-printer zal gebruiken om de laser over elke laag poedermateriaal te sturen. Hoewel sommige gratis 'slicers' beschikbaar zijn om datavoorbereiding voor SLS te voltooien, kan hun betrouwbaarheid in twijfel zijn, en wordt professionele ontwerpers geadviseerd om met een erkend softwarepakket te werken voor hun pre-processing-behoeftes.

Als je organisatie applicaties ontwikkelt die pre-processing voor SLS-printen afhandelen, of je een SLS-machinefabrikant bent die software aan zijn portfolio wil toevoegen, is Spatial hier om te helpen.

Door gebruik te maken van meer dan 35 jaar 3D-modelleringsdeskundigheid, biedt Spatial uitgebreide pre-processing-functies die in je softwareapplicaties verpakt kunnen worden met onze voorgebouwde bibliotheken. Dit is een ideale manier om de bestaande functionaliteit die je applicaties of hardwareproducten bieden uit te breiden en kan je helpen je aanbiedingen te differentieren van die van je concurrenten voor sls 3D-printen.

Om meer te weten te komen over hoe Spatial kan helpen, bekijk onze bewezen 3D Modeling Software Development Toolkits om te beginnen.

Het Proces van SLS in Additive Manufacturing

Het Selective Laser Sintering-proces lijkt op dat van andere powder bed fusion-technologieën op de volgende manieren:

1. Een ontwerper produceert een 3D-model met behulp van een Computer-Aided Design (CAD)-programma.
2. Het ontwerp wordt gesplitst in dunne (2D) lagen.
3. Het gesplitste ontwerp wordt naar de SLS-printer gestuurd.
4. Een nivelleringroller spreidt een dunne laag poedermateriaal over het build-platform van de printer.
5. Een CO₂-laser traceert een dwarsdoorsnede op het materiaal, verhit en smelt het samen.
6. Eenmaal een laag voltooid, wordt het build-platform verlaagd om ruimte te maken voor de volgende laag poeder.
7. Ongebruikt materiaal wordt na elke laag gerecycled.
8. Het SLS-proces wordt herhaald, laag-op-laag bouwend tot het onderdeel voltooid is.

Tijdens het printproces worden SLS-onderdelen omringd door ongesinterd poeder. Dit extra poeder ondersteunt het onderdeel tijdens het printen, wat de noodzaak voor supportstructuren wegneemt.

Selective Laser Sintering: Post-Processing

De eerste stap in SLS post-processing is onderdeelherstel. Net geprint SLS-onderdelen zijn ingepakt in een poreuze cocoon deels gesinterd poeder, dat opengebroken moet worden om het onderdeel te verwijderen. Hoewel dit proces rommelig zou zijn in een thuismilieu, wordt SLS voornamelijk in industriële omgevingen gebruikt, waar speciaal ontworpen reinigingskamers worden gebruikt die luchtdichte behuizingen met een inlaat voor gecomprimeerde lucht incorporeren.

Eenmaal gereinigd, worden SLS-geprinte onderdelen onderzocht en getest om te garanderen dat ze aan de oorspronkelijke specificaties voldoen. Aangezien SLS-onderdelen geneigd zijn tot krimp en vervorming, moet dit proces garanderen dat elk onderdeel geschikt is voor het doel.

Ten slotte worden de meeste SLS-onderdelen geverfd en/of gecoat om ze voor real-world gebruik voor te bereiden. Verwen en coatings variëren van puur cosmetisch tot hoog functioneel, inclusief coatings die:

• Kraakvast
• Reflecterend of niet-reflecterend
• Gepolariseerd
• Duurzaam

SLS Materiaalherstel

Het herwinnen van overgebleven materiaal is een essentieel deel van het SLS-productieproces.

Omdat poedermateriaal SLS-onderdelen tijdens het printen ondersteunt, wordt veel meer poeder gebruikt dan nodig is voor het daadwerkelijke onderdeel. Echter, omdat alle poeder in de build-kamer voorverhit wordt om het sinterproces te helpen, is 'gebruikt' poeder minder effectief dan ongebruikt poeder voor toekomstige SLS-printen. Vanwege dit, raden SLS-printdeskundigen aan maximaal 50% gerecycled poeder te gebruiken voor elk SLS-printproject.

Verschillende Typen SLS-systemen

Fundamenteel zijn er twee verschillende typen SLS-systemen: industriëel en desktop.

Industriële SLS-systemen

Industriële SLS-systemen bestaan al decennia en zijn gebruikt door toonaangevende spelers in een brede verscheidenheid aan industrieën, waaronder luchtvaart, automotive en tooling. Industriële SLS-systemen gebruiken één of meer hoge-vermogen CO₂-lasers.

Vanwege hun grootte en warmtevereisten, vereisen industriële SLS-systemen een inerte omgeving om te garanderen dat poeder niet oxideert. Als resultaat vereisen deze systemen ook gespecialiseerde apparatuur om luchtinlaat en -afvoer te beheren. Ze vereisen ook een industriële stroomvoorziening.

Desktop SLS-systemen

Desktop SLS-systemen gebruiken een vergelijkbaar proces als industriële systemen, maar zijn verpakt in een machine die gemakkelijk in een klein bedrijf of hobbyist-omgeving past. Deze systemen gebruiken lagere-vermogen diode- of vezellasers in plaats van CO₂-lasers, wat deels verantwoordelijk is voor hun verlaagde kosten.

Vanwege hun kleinere grootte vereisen desktop-systemen ook minder warmte voor het sinterproces, wat de noodzaak voor gespecialiseerde luchtbeheersystemen wegnemt en hen in staat stelt op standaard AC-stroom te draaien.

SLS Materialen

De term SLS beschrijft doorgaans plastic-gebaseerd sinteren, hoewel het ook als een vangterm kan worden gebruikt voor sinteren van materialen die kunststoffen, metalen, glas, keramiek en composietmaterialen omvatten. Het proces blijft vergelijkbaar over alle materialen, hoewel de temperatuur die nodig is voor het sinterproces varieert.

Wanneer SLS toegepast wordt op metalen, wordt de term direct metal laser sintering (DMLS) doorgaans gebruikt. Het proces is precies hetzelfde als eerder in dit artikel beschreven, maar het sinterproces vereist aanzienlijk meer warmte dan plastic-gebaseerd sinteren.

SLS Voordelen en Nadelen

Als elk productieproces heeft SLS zowel voordelen als nadelen.

SLS voordelen omvatten:

• Zelf-ondersteunend. Naarmate SLS-onderdelen gebouwd worden, worden holle ruimtes gevuld met ongesinterd poeder. Als resultaat zijn SLS-prints zelf-ondersteunend en vereisen geen additionele supportstructuren.
• Ontwerpvrijheid. Omdat er geen behoefte is aan supportstructuren, hebben ontwerpers veel meer vrijheid om onderdelen te creëren die hun doelen vervullen zonder zich zorgen te maken over productiehaalbaarheid. Als resultaat kunnen veel onderdelen die 'onmogelijk' werden beschouwd door de beperkingen van traditionele subtractieve manufacturing technieken nu gemaakt worden met SLS Additive Manufacturing.
• Snelheid. Aangezien het nylonpoeder dat in SLS gebruikt wordt alleen zeer korte laserblootstelling vereist om gesinterd te worden, is SLS-printen een van de snelste 3D-printtechnologieën. In tegenstelling tot andere technieken zoals FDM, is er bij SLS praktisch geen afweging tussen printsnelheid en het garanderen van hoge kwaliteit.
• Gemakkelijk te verwen. SLS-prints zijn van nature poreus en absorberen vocht en andere vloeistoffen gemakkelijk. Deze poreuze aard maakt SLS-onderdelen ideaal voor kleuren, met name bij gebruik van een heet badproces.

SLS nadelen omvatten:

• Poreus en broos. De poreuze aard van SLS-onderdelen kan hun structurele integriteit compromitteren. Hoewel ze doorgaans uitstekende trekkracht hebben, zijn SLS-onderdelen onbuigzaam en kunnen faillen onder relatief lage vervormingsniveaus. Om die reden worden SLS-prints vaak gebruikt als proof-of-concept prototypen. SLS-geproduceerde onderdelen kunnen ook een ruwe oppervlakteafwerking hebben.
• Geneigd tot krimp en vervorming. Het nylonpoeder dat in SLS gebruikt wordt, wordt blootgesteld aan hoge temperaturen tijdens sinteren en koelt daarna snel af. Naarmate een onderdeel afkoelt, krimpt het ook, wat kan leiden tot onnauwkeurigheden in geprinten onderdelen — meest vaak in scherpe randen en hoeken.
• Afval. Hoewel poeder van SLS-printen hergebruikt kan worden, raden de meeste SLS-deskundigen aan maximaal 50% gerecycled poeder in toekomstige prints te gebruiken zoals hierboven genoteerd. Als resultaat is er altijd een element van verspilling in het SLS-printproces.
• Kosten. Zelfs een desktop SLS-printer kan tussen $5.000 - $40.000 kosten — ver meer dan vergelijkbare printers die andere AM-technieken gebruiken. Zoals je je kunt voorstellen, worden industriële SLS-printers zeer duur, heel snel.

Wanneer SLS Gebruiken

Het meest populaire gebruik van SLS is in rapid prototyping, waar de snelheid en zelf-ondersteunende aard het ideaal maken. SLS maakt het ontwerpers gemakkelijk om een breed scala aan prototypen te creëren en te testen zonder beperkt te worden door de noodzaak om structurele supports op te nemen of meer traditionele productietechnieken zoals injectiegieten te gebruiken.

Welke Industrieën Vertrouwen op SLS?

Vanwege de voordelen die het biedt, is SLS zwaar gebruikt in de luchtvaart-, auto- en medische industrieën.

Waar luchtvaart- en autofabrikanten voornamelijk metaal- en composietpoeders gebruiken om hoge duurzaamheidsniveaus te bereiken, geven medische fabrikanten meestal de voorkeur aan thermoplastisch polyurethaan (TPU) — een flexibel en hoogst duurzaam plastic met uitstekende mechanische eigenschappen, duurzaamheid en weerstand tegen oliën en chemicaliën.

SLS wordt typisch gebruikt in omstandigheden waar prijs niet de majeure overweging is, tenminste in termen van kapitaalapparatuur. SLS-systemen kunnen extreem duur zijn, wat een majeure reden is waarom het proces voornamelijk in industriële omgevingen gebruikt wordt.

Echter, kapitaaluitgaven buiten beschouwing gelaten, kunnen fabricanten die veel laag-volume onderdelen produceren — bijv. prototypen — daadwerkelijk kosten besparen met SLS. SLS wordt wijdverspreid gebruikt om laag-volume en maatwerkonderdelen te produceren, grotendeels omdat het het gemakkelijk maakt om deze te produceren zonder de aanzienlijke kosten van tooling.

Veelvoorkomende use cases omvatten:

• Aangepaste tools en fixaties
• Brandstoftanks
• Luchtkanalen
• Architecturale modellen
• Vlieggekwalificeerde componenten voor onbemande luchtvaartuigen
• Automotive ontwerpen
• Artistieke beeldhouwwerken

Wat is Er Volgende voor SLS?

Op dit moment is SLS primair beperkt tot industriële toepassingen — primair door de hoge kosten van SLS 3D-printers, maar ook door het gebruik van krachtige laser en poedermaterialen. Voor nu, als je een hobbyist of thuiscreëerder bent, zijn andere technieken zoals FDM en SLA meer betaalbare opties. In industriële omgevingen kunnen SLS-systemen echter extreem waardevol zijn.

Zoals met alle AM-technieken, vertrouwt SLS ook op de fabricant's vermogen om hoogst nauwkeurige en geoptimaliseerde 3D-modellen te produceren. En, gegeven de beperkingen van SLS — met name de onmogelijkheid om onderdelen met dunne wanden of scherpe randen te printen — zijn bepaalde softwarefuncties essentieel voor het creëren en optimaliseren van die modellen.

Om te ontdekken hoe Spatial je kan helpen krachtige SLS-functionaliteit en uitgebreide, voorgebouwde bibliotheken in je hardware- en software-oplossingen te bouwen, neem vandaag nog contact met ons op.