La industria de fabricación aditiva, valorada en la friolera de 13.840 millones de dólares, es una de las tecnologías de fabricación de más rápido crecimiento en los tiempos modernos. La sinterización selectiva por láser (SLS) es una de las tecnologías innovadoras de impresión 3D que ha impulsado su rápido crecimiento y estimulado la implementación industrial a gran escala.
En esta guía completa, analizamos varios aspectos de la impresión SLS, incluido el flujo de trabajo, las ventajas/desventajas, las propiedades de los materiales y algunas de sus aplicaciones.
¿Qué es la impresión 3D con sinterización selectiva por láser?
La impresión 3D SLS utiliza un láser guiado como fuente de energía térmica para sinterizar capas de partículas de materia prima en un componente resistente y duradero. Cuando se calientan, las partículas se fusionan sin fundirse. Por este motivo se le llama proceso de sinterización y no proceso de fusión.
Las impresoras 3D SLS también están disponibles en varios tamaños, desde impresión de escritorio hasta impresión industrial de gran formato. También difieren en factores como el tipo de láser (fibra, diodo, láser de CO2, etc.), la potencia del láser, el costo y la precisión de fabricación.
Esta técnica es conocida por su idoneidad para producir piezas funcionales y creación rápida de prototipos. Las deseables propiedades de los materiales de las piezas impresas en 3D con SLS son un factor prometedor para los fabricantes y desarrolladores de productos.
Profundicemos en la sinterización selectiva por láser y detallemos el flujo de trabajo para una mejor comprensión.
Flujo de trabajo de impresión 3D SLS
La impresión 3D SLS se realiza en varios pasos. A continuación se muestra un proceso paso a paso que es estándar para la mayoría de las impresoras 3D SLS.
1. Preparación del modelo CAD
Todo comienza con un modelo CAD de la pieza a imprimir. El modelo terminado se transfiere a la interfaz de usuario integrada de la impresora SLS o al software de corte en formatos de archivo adecuados para la impresión 3D. El formato de archivo más común es STL.
El software de corte prepara el archivo CAD para la impresión 3D y genera comandos (llamados códigos G) que el controlador de la impresora puede interpretar en relación con el movimiento de escaneo del láser. El software también incluye configuraciones personalizadas como el grosor de la capa, la potencia del láser y la resolución, que son factores cruciales en la calidad de impresión final.
En esta etapa, el software también predice información importante como el tiempo de impresión y el consumo de material.
2. Cheques preimpresos
Las impresoras 3D SLS son máquinas sofisticadas que requieren capacitación y cuidado para operar. Antes de comenzar a imprimir, se llevan a cabo algunas comprobaciones para garantizar que el proceso de impresión se desarrolle sin problemas.
La cámara de construcción (lecho de polvo) se llena al nivel correcto y con el material correcto. Además, los operadores profesionales también realizan algunas comprobaciones CAD antes de imprimir para garantizar que no haya espacios que afecten la capacidad de impresión.
Es necesario calibrar los galvanómetros, es decir, los espejos que dirigen el rayo láser a lo largo de la trayectoria de impresión deseada. Los servomotores que los accionan también se mueven a sus posiciones iniciales para minimizar errores. Los fabricantes suelen recomendar planes de calibración para esto en los manuales.
3. Precalentar el polvo
El polvo en el espacio de construcción se precalienta justo por debajo del punto de fusión antes de que comience la impresión. La energía térmica del láser sólo se utiliza durante la sinterización. Esto permite una impresión 3D rápida.
4. Imprimir
De hecho, el proceso de impresión en sí es bastante sencillo e ingenioso. El láser escanea la capa superior de la pieza (previamente definida por la cortadora) sobre la superficie del lecho de polvo.
La potencia del láser se ajusta con precisión para lograr una profundidad de sinterización que coincida con el espesor de la capa. El rango de espesor de capa típico para la impresión 3D SLS es de 0,05 a 0,15 mm.
Luego, la cama cae una capa, llevándose consigo la estructura. La cuchilla/rodillo de recubrimiento extiende una nueva capa de material SLS sobre la cama. Esta vez, el láser escanea la segunda capa, que se conecta con la anterior.
Luego, este proceso se repite hasta que se imprima toda la pieza.
5. Recuperación y posprocesamiento de piezas
Una vez completada la impresión, déjela enfriar en la cámara por un tiempo. Una vez enfriado, se retira de la cámara de construcción. Debido a que la pieza está rodeada por todos lados por polvo no sinterizado, el proceso de extracción a menudo se denomina "despulverización".
Ventajas de la impresión 3D SLS
La impresión 3D SLS ofrece numerosas ventajas y, por tanto, es uno de los procesos de fabricación aditiva más buscados en la industria.
1. Piezas robustas
Las piezas impresas en 3D con SLS tienen propiedades ventajosas como resistencia mecánica, módulo de tracción, resistencia al calor y estanqueidad al agua y al aire. Esto se debe al proceso de sinterización, que une firmemente las partículas individuales de polímero.
Debido a su robustez, las impresoras SLS se han convertido en un dispositivo común para desarrollar y probar prototipos funcionales que no sólo imitan la apariencia del producto de prueba, sino también su funcionalidad.
2. No se requieren soportes
Las estructuras impresas en 3D con características como protuberancias o puentes requieren una geometría de soporte para soportar estos elementos durante la impresión. La mayoría de procesos de impresión 3D, como el FDM, desperdician mucho tiempo y material al imprimir estas estructuras de soporte.
Sin embargo, esto no supone un problema con la sinterización selectiva por láser. Debido a que todo el componente está encerrado en un charco de polvo suelto, está bien soportado durante la construcción. Esto no sólo ahorra tiempo sino que también reduce costes.
3. Rápido
Estos dispositivos se consideran impresoras 3D rápidas, con velocidades de impresión comerciales de hasta 48 mm/h. Esto significa que supera a toda una gama de procesos de impresión 3D alternativos.
Además, aunque el flujo de trabajo de este proceso se divide en varios pasos, es bastante eficiente en términos de tiempo. El escaneo láser es casi instantáneo, la cámara de construcción se puede quitar y reemplazar por otra cuando la primera se haya enfriado, y también existe la opción de impresión por lotes, que discutiremos a continuación.
4. Impresión por lotes
Las impresoras 3D están disponibles con diferentes volúmenes de construcción, con máquinas más grandes de hasta 750 mm en una dirección. Un enfoque productivo es utilizar eficientemente el volumen del espacio de construcción ajustando la presión de la chimenea.
Esto significa que caben tantas piezas como sea posible en la cámara de construcción como un "lote". Esto tiene sentido porque el escaneo láser en sí es muy rápido. Con la impresión por lotes, se pueden sinterizar capas de varias piezas con un solo escaneo en lugar de uno solo, lo que ahorra horas de tiempo de impresión.
5. Alta precisión dimensional
SLS produce piezas muy precisas. Como ya se ha mencionado, la altura de la capa puede ser tan baja como 0,05 mm. Además, la mayoría de las impresoras 3D son capaces de producir tolerancias de +/- 3%. La presión de empaque creada por el lecho de polvo también ayuda a minimizar la deformación.
Por este motivo, las piezas producidas con la impresión 3D SLS tienen una forma casi definitiva y no requieren un posprocesamiento extenso.
Desventajas de la impresión 3D SLS
Como cualquier proceso de fabricación, SLS tiene tanto sus ventajas como sus desventajas. Destacamos algunos puntos que debes considerar antes de elegir SLS.
1. Opciones limitadas de materia prima
No existe un catálogo extenso de materiales para la sinterización selectiva por láser. Aparte de algunos tipos de nailon, elastómeros termoplásticos y TPU (poliuretano termoplástico), los materiales compatibles con SLS son algo difíciles de encontrar. El aspecto también se limita a superficies metálicas grisáceas.
Aunque la investigación científica está ampliando el alcance material de la impresión SLS, actualmente se encuentra en clara desventaja.
2. Superficie granulada
Aunque el producto final tiene dimensiones exactas, no tiene una superficie lisa y brillante. En muchos casos, es posible que se requieran tratamientos superficiales adicionales para cumplir con los requisitos de fabricación. Las técnicas competidoras, como la estereolitografía, tienen un acabado superficial mucho mejor.
Analizaremos algunos de los métodos comunes de posprocesamiento que ayudan a resolver este problema en la siguiente sección.
3. Impresoras caras
Las impresoras SLS son generalmente dispositivos costosos. Para las versiones más económicas, los costes deberían superar los 5.000 dólares. Las versiones de alta gama cuestan más de 100.000 dólares.
Sin embargo, cabe señalar que la inversión inicial se compensa fácilmente con costes de material e impresión comparativamente más bajos. Además, está llegando al mercado una nueva ola de innovadoras impresoras 3D de escritorio que no son tan caras pero tienen especificaciones decentes. Obtenga más información sobre el costo de los servicios de impresión 3D.
4. Riesgos para la salud y el medio ambiente
Los materiales SLS son polvos finos con un tamaño de partícula de sólo 20 micras. Partículas de este diminuto tamaño pueden entrar fácilmente en el tracto respiratorio y causar problemas de salud. La sinterización puede producir vapores que escapan del entorno de trabajo y pueden tener un impacto negativo en el medio ambiente.
Se recomienda que los operadores utilicen equipos de protección personal adecuados, como máscaras y guantes, al manipular estos materiales.
Materiales aptos para la impresión 3D SLS
Los polímeros en polvo sinterizables son la clase principal de materiales SLS. Algunos de los materiales más importantes de esta categoría se resumen a continuación.
1.PA12
PA 12 también se conoce comúnmente como Nylon 12 y Poliamida 12. Tiene alta resistencia a la tracción, tenacidad y flexibilidad. PA 12 también es resistente a productos químicos y al calor, lo que lo convierte en un candidato ideal para productos funcionales.
Después de la impresión 3D, tiene una superficie mate ligeramente granulada. Por supuesto, tiene un color blanco que se puede colorear fácilmente en otros colores.
2.PA11
La poliamida 11/Nylon 11 es biocompatible, fuerte, flexible, resistente al calor y a los productos químicos. Es conocido por su comportamiento isotrópico, que resulta ventajoso en determinadas aplicaciones de carga, como interiores de vehículos, prótesis y dispositivos médicos.
3. Alumida
La alumida es nailon relleno de polvo de aluminio. Esta mezcla proporciona mayor resistencia y rigidez. Además, el aluminio le da al producto final una apariencia metálica brillante que no es tan granulada como un material de nailon puro como PA12 o PA11.
4. PA-CF
El nailon reforzado con fibra de carbono es una combinación de alto rendimiento con excelente resistencia y resistencia al impacto. Es notablemente ligero, como es característico de los productos de fibra de carbono. Las aplicaciones comunes incluyen accesorios, accesorios y piezas automotrices livianas.
Opciones de acabado superficial para piezas impresas SLS
El posprocesamiento ya se ha tratado anteriormente, pero no hemos destacado las diferentes técnicas utilizadas por los expertos. Sin embargo, la calidad de la superficie de las piezas libres de polvo no es la ideal. Dependiendo de los requisitos de fabricación se pueden aplicar diferentes tratamientos superficiales.
1. Rectificado manual
Se puede obtener una superficie ligeramente más fina mediante técnicas manuales. Los operadores utilizan papel de lija multigrano o amoladoras para realizar un tratamiento superficial uniforme y llegar a todos los rincones de la geometría.
2. Rayos y caídas
Estos métodos logran una excelente calidad de superficie. Las perlas de vidrio se utilizan a menudo en el pulido con chorro de arena, mientras que las virutas de cerámica se utilizan a menudo en el volteo. En ambos casos, estas partículas chocan con la superficie de la pieza SLS para alisarla.
Sin embargo, la desventaja es que también se elimina algo de material, cambiando las dimensiones de la pieza. Además, los bordes afilados también pueden redondearse, lo que puede ser deseable pero no necesariamente.
3. Tratamiento químico
Los productos químicos como la acetona pueden reaccionar con la superficie y suavizarla. Este no es un método popular, pero funciona en algunos casos. Al seleccionar el producto químico, se debe prestar atención a la reactividad.
4. Recubrimiento
Se pueden aplicar varios recubrimientos para lograr propiedades físicas específicas. A veces se utilizan revestimientos metálicos como oro o cobre para aumentar la resistencia y la estética. Debido a que las piezas impresas en 3D son porosas, se pueden aplicar recubrimientos impermeables como la silicona para mejorar el rendimiento.
5. Coloración/Barnizado
Una solución sencilla para mejorar la calidad de la superficie es aplicar una capa de pintura o barniz sobre la superficie rugosa. Esto mejora el aspecto de la pieza, añade un toque de brillo y no lleva mucho tiempo.
Aplicaciones de impresión 3D SLS
Debido a sus numerosos puntos fuertes, el SLS se utiliza en varias industrias importantes.
1. Creación rápida de prototipos y fabricación
Las propiedades mecánicas de las piezas impresas en 3D con SLS son comparables a las de las piezas fabricadas mediante otros procesos. Sin embargo, la producción es más rápida y cómoda. Por esta razón, las piezas SLS se utilizan a menudo para la creación rápida de prototipos y la fabricación de productos funcionales.
Gracias a las altas velocidades de impresión y la funcionalidad de las piezas, los desarrolladores de productos tienen la libertad de realizar iteraciones de diseño rápidamente.
2. Aviación y Automoción
Ambas industrias buscan constantemente piezas ligeras y resistentes a los impactos, propiedades características de la impresión SLS. Por este motivo, la impresión 3D se está volviendo cada vez más popular para producir piezas individuales y elegantes para la modernización o decoración de automóviles.
Los componentes retardantes de llama en motores de aviones son otra aplicación en la que entran en juego las propiedades específicas de los materiales SLS. Además, el proceso también se utiliza frecuentemente para producir conductos de aire y prototipos.
3. Medicina
En la industria médica, ahora se fabrican prótesis y órtesis funcionales y diseñadas individualmente mediante impresión 3D. La tecnología de escaneo 3D permite adaptar estas piezas con precisión a la estructura corporal del paciente y SLS ayuda a lograr las propiedades mecánicas necesarias.
Servicios de impresión 3D WayKen SLS
SLS es una tecnología de fabricación aditiva popular que se utiliza en muchas industrias debido a su precisión, exactitud y productividad. Sin embargo, dominar esta tecnología puede resultar un desafío. Por lo tanto, es importante trabajar con un proveedor de servicios acreditado que tenga la experiencia y el conocimiento necesarios para ofrecer resultados de alta calidad.
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Sin duda, la sinterización selectiva por láser ha tenido un gran impacto en el panorama de la fabricación aditiva en los últimos años. Su potencial y uso crecen constantemente a medida que atrae la atención de cada vez más industriales.
Finalmente, nos gustaría recomendar que nuestros lectores utilicen esta guía cuando tomen la decisión de imprimir en 3D. Todavía es un mercado relativamente nuevo y es necesario estar bien informado antes de decidirse finalmente por un proceso y un fabricante de impresión 3D.
Preguntas frecuentes
¿Qué tipos de impresoras 3D SLS existen?
Las impresoras 3D SLS se diferencian en varios aspectos:
-Tamaño : impresoras de escritorio con volúmenes de construcción de 100 x 100 x 100 mm hasta impresoras industriales de alta gama con volúmenes de construcción de hasta 500 x 500 x 500 mm.
-Tipos de láser : Las impresoras SLS pueden equiparse con un láser de CO2, un láser de fibra, un láser de infrarrojos o un láser de diodo.
-Especificaciones de impresión : Especificaciones como velocidad de impresión, espesor mínimo de capa, capacidad de material, etc. varían de un producto a otro.
¿Cuál es la diferencia entre la sinterización selectiva por láser (SLS) y la fusión selectiva por láser (SLM)?
En SLS las partículas de material se unen mediante sinterización. Este proceso ocurre por debajo de la temperatura de fusión del material y las partículas simplemente se fusionan. En SLM el trabajo se realiza por encima de la temperatura de fusión y las partículas se funden completamente para que solidifiquen formando 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 estable como SLM.
¿Qué materiales se utilizan habitualmente para la impresión 3D SLS?
Los termoestables y el poliuretano termoplástico son materiales comúnmente utilizados en la impresión 3D SLS. En particular, materiales como el nailon 12 y el nailon 11 son los más populares. Algunas aplicaciones específicas también utilizan una mezcla de estos materiales con metales (aluminio) o fibras (fibra de carbono, fibra de vidrio).
