A indústria de fabrico aditivo, avaliada em colossais 13,84 mil milhões de dólares, é uma das tecnologias de fabrico que mais cresce nos tempos modernos. A sinterização seletiva a laser (SLS) é uma das tecnologias inovadoras de impressão 3D que impulsionou seu rápido crescimento e estimulou a implementação industrial em larga escala.
Neste guia abrangente, discutimos vários aspectos da impressão SLS, incluindo fluxo de trabalho, vantagens/desvantagens, propriedades do material e algumas de suas aplicações.
O que é impressão 3D por sinterização seletiva a laser?
A impressão 3D SLS usa um laser guiado como fonte de energia térmica para sinterizar camadas de partículas de matéria-prima em um componente forte e durável. Quando aquecidas, as partículas se fundem sem derreter. Por esta razão é chamado de processo de sinterização e não de fusão.
As impressoras 3D SLS também estão disponíveis em vários tamanhos, desde desktop até impressão industrial de grande formato. Eles também diferem em fatores como tipo de laser (fibra, diodo, laser de CO2, etc.), potência do laser, custo e precisão de fabricação.
Essa técnica é conhecida por sua adequação para produção de peças funcionais e prototipagem rápida. As propriedades desejáveis do material das peças impressas em 3D SLS são um fator promissor para fabricantes e desenvolvedores de produtos.
Vamos nos aprofundar na sinterização seletiva a laser e detalhar o fluxo de trabalho para melhor compreensão.
Fluxo de trabalho de impressão 3D SLS
A impressão 3D SLS ocorre em várias etapas. Abaixo está um processo passo a passo que é padrão para a maioria das impressoras 3D SLS.
1. Preparação do modelo CAD
Tudo começa com um modelo CAD da peça a ser impressa. O modelo finalizado é transferido para a interface de usuário integrada da impressora SLS ou para o software de fatiamento em formatos de arquivo adequados para impressão 3D. O formato de arquivo mais comum é STL.
O software de fatiamento prepara o arquivo CAD para impressão 3D e gera comandos (chamados códigos G) que o controlador da impressora pode interpretar em relação ao movimento de digitalização do laser. O software também inclui configurações personalizadas como espessura da camada, potência do laser e resolução, que são fatores cruciais na qualidade final da impressão.
Nesta fase, o software também prevê informações importantes como tempo de impressão e consumo de material.
2. Verificações pré-impressas
As impressoras 3D SLS são máquinas sofisticadas que requerem treinamento e cuidado para operar. Antes de iniciar a impressão, são realizadas algumas verificações para garantir que o processo de impressão ocorra sem problemas.
A câmara de construção (cama de pó) é preenchida até o nível correto e com o material correto. Além disso, os operadores profissionais também realizam algumas verificações de CAD antes da impressão para garantir que não haja lacunas que afetem a capacidade de impressão.
Os galvanômetros, ou seja, os espelhos que direcionam o feixe de laser ao longo do caminho de impressão desejado, devem ser calibrados. Os servomotores que os acionam também são movidos para suas posições iniciais para minimizar erros. Os planos de calibração para isso são frequentemente recomendados pelos fabricantes em manuais.
3. Pré-aqueça o pó
O pó no espaço de construção é pré-aquecido logo abaixo do ponto de fusão antes do início da impressão. A energia térmica do laser é utilizada apenas durante a sinterização. Isso permite uma impressão 3D rápida.
4. Imprimir
Na verdade, o processo de impressão em si é bastante simples e engenhoso. O laser varre a camada superior da peça (previamente definida pelo fatiador) acima da superfície do leito de pó.
A potência do laser é ajustada com precisão para atingir uma profundidade de sinterização que corresponda à espessura da camada. A faixa típica de espessura de camada para impressão 3D SLS é de 0,05 a 0,15 mm.
A cama então desce uma camada, levando consigo a estrutura. Uma nova camada do material SLS é espalhada sobre o leito pela lâmina/rolo de revestimento. Desta vez, o laser escaneia a segunda camada, que se conecta à anterior.
Este processo é então repetido até que toda a peça seja impressa.
5. Recuperação e pós-processamento de peças
Após a conclusão da impressão, deixe-a esfriar na câmara por um tempo. Assim que esfriar, é retirado da câmara de construção. Como a peça é cercada por todos os lados por pó não sinterizado, o processo de extração é frequentemente chamado de “despulverização”.
Vantagens da impressão 3D SLS
A impressão 3D SLS oferece inúmeras vantagens e é, portanto, um dos processos de fabricação aditiva mais procurados na indústria.
1. Peças robustas
As peças impressas em 3D SLS têm propriedades vantajosas, como resistência mecânica, módulo de tração, resistência ao calor e estanqueidade à água e ao ar. Isto se deve ao processo de sinterização, que une firmemente as partículas individuais do polímero.
Devido à sua robustez, as impressoras SLS tornaram-se um dispositivo comum para desenvolver e testar protótipos funcionais que não apenas imitam a aparência do produto de teste, mas também a sua funcionalidade.
2. Não são necessários suportes
Estruturas impressas em 3D com recursos como saliências ou pontes requerem geometria de suporte para suportar esses elementos durante a impressão. A maioria dos processos de impressão 3D, como o FDM, desperdiça muito tempo e material ao imprimir estas estruturas de suporte.
No entanto, isso não é um problema com a sinterização seletiva a laser. Como todo o componente está encerrado em uma poça de pó solto, ele fica bem apoiado durante a construção. Isto não só economiza tempo, mas também reduz custos.
3. Rápido
Esses dispositivos são considerados impressoras 3D rápidas, com velocidades de impressão comercial de até 48 mm/h. Isso significa que ele supera toda uma gama de processos alternativos de impressão 3D.
Além disso, embora o fluxo de trabalho desse processo seja dividido em várias etapas, ele é bastante eficiente em termos de tempo. A digitalização a laser é quase instantânea, a câmara de construção pode ser removida e substituída por outra quando a primeira esfriar, e há também a opção de impressão em lote, que discutiremos a seguir.
4. Impressão em lote
As impressoras 3D estão disponíveis com diferentes volumes de construção, com máquinas maiores até 750 mm em uma direção. Uma abordagem produtiva é usar eficientemente o volume do espaço de construção ajustando a pressão da pilha.
Isto significa que o maior número possível de peças cabem na câmara de construção como um “lote”. Isso faz sentido porque a digitalização a laser em si é muito rápida. Com a impressão em lote, camadas de múltiplas peças podem ser sinterizadas com uma única digitalização, em vez de apenas uma, economizando horas de impressão.
5. Alta precisão dimensional
A SLS produz peças muito precisas. Como já foi mencionado, a altura da camada pode ser tão baixa quanto 0,05 mm. Além disso, a maioria das impressoras 3D é capaz de produzir tolerâncias de +/- 3%. A pressão de empacotamento criada pelo leito de pó também ajuda a minimizar a deformação.
Por esse motivo, as peças produzidas com impressão 3D SLS têm um formato quase final e não requerem pós-processamento extenso.
Desvantagens da impressão 3D SLS
Como qualquer processo de fabricação, o SLS tem suas vantagens e também suas desvantagens. Destacamos alguns pontos que você deve considerar antes de escolher o SLS.
1. Opções limitadas de matéria-prima
Não existe um extenso catálogo de materiais para sinterização seletiva a laser. Além de alguns tipos de náilon, elastômeros termoplásticos e TPU (poliuretano termoplástico), os materiais compatíveis com SLS são um tanto difíceis de encontrar. A aparência também é limitada a superfícies metálicas acinzentadas.
Embora a investigação científica esteja a expandir o âmbito material da impressão SLS, esta está actualmente em clara desvantagem.
2. Superfície granulada
Embora o produto final seja dimensionalmente preciso, ele não possui uma superfície lisa e brilhante. Em muitos casos, podem ser necessários tratamentos de superfície adicionais para atender aos requisitos de fabricação. Técnicas concorrentes, como a estereolitografia, têm um acabamento superficial muito melhor.
Discutiremos alguns dos métodos comuns de pós-processamento que ajudam a resolver esse problema na seção seguinte.
3. Impressoras caras
As impressoras SLS geralmente são dispositivos caros. Para versões mais baratas, você deve esperar custos superiores a 5.000 USD. Versões de última geração custam mais de US$ 100.000.
No entanto, deve notar-se que o investimento inicial é facilmente compensado por custos comparativamente mais baixos de material e impressão. Além disso, está chegando ao mercado uma nova onda de impressoras 3D de mesa inovadoras que não são tão caras, mas têm especificações decentes. Saiba mais sobre o custo dos serviços de impressão 3D.
4. Riscos para a saúde e o ambiente
Os materiais SLS são pós finos com tamanho de partícula de apenas 20 mícrons. Partículas desse tamanho minúsculo podem entrar facilmente no trato respiratório e causar problemas de saúde. A sinterização pode produzir vapores que escapam do ambiente de trabalho e podem ter um impacto negativo no meio ambiente.
Recomenda-se que os operadores usem equipamentos de proteção individual adequados, como máscaras e luvas, ao manusear esses materiais.
Materiais adequados para impressão 3D SLS
Polímeros em pó sinterizáveis são a principal classe de materiais SLS. Alguns dos materiais mais importantes nesta categoria estão resumidos abaixo.
1. PA12
PA 12 também é comumente conhecido como Nylon 12 e Poliamida 12. Possui alta resistência à tração, tenacidade e flexibilidade. O PA 12 também é resistente a produtos químicos e ao calor, o que o torna um candidato ideal para produtos funcionais.
Após a impressão 3D, apresenta uma superfície mate ligeiramente granulada. Claro, tem uma cor branca que pode ser facilmente colorida em outras cores.
2. PA11
A Poliamida 11/Nylon 11 é biocompatível, forte, flexível, resistente ao calor e resistente a produtos químicos. É conhecido pelo seu comportamento isotrópico, o que se mostra vantajoso em certas aplicações de suporte de carga, como interiores de veículos, próteses e dispositivos médicos.
3. Alumida
Alumide é náilon preenchido com pó de alumínio. Esta mistura proporciona maior resistência e rigidez. Além disso, o alumínio confere ao produto final uma aparência metálica brilhante que não é tão granulada quanto um material de náilon puro como PA12 ou PA11.
4. PA-CF
O náilon reforçado com fibra de carbono é uma combinação de alto desempenho com excelente resistência e resistência ao impacto. É notavelmente leve, como é característico dos produtos de fibra de carbono. As aplicações comuns incluem acessórios, acessórios e peças automotivas leves.
Opções de acabamento de superfície para peças impressas em SLS
O pós-processamento já foi abordado acima, mas não destacamos as diferentes técnicas utilizadas pelos especialistas. No entanto, a qualidade superficial das peças sem pó não é ideal. Dependendo dos requisitos de fabricação, diferentes tratamentos de superfície podem ser aplicados.
1. Moagem manual
Uma superfície ligeiramente mais fina pode ser obtida usando técnicas manuais. Os operadores utilizam lixas de vários grãos ou esmerilhadeiras para realizar um tratamento superficial uniforme e atingir todos os cantos da geometria.
2. Raios e tombos
Esses métodos alcançam excelente qualidade de superfície. Contas de vidro são frequentemente usadas em jateamento, enquanto lascas de cerâmica são frequentemente usadas em tombamento. Em ambos os casos, essas partículas colidem com a superfície da peça SLS para suavizá-la.
Porém, a desvantagem é que algum material também é removido, alterando as dimensões da peça. Além disso, as arestas vivas também podem ser arredondadas, o que pode ser desejável, mas não necessariamente.
3. Tratamento químico
Produtos químicos como a acetona podem reagir com a superfície e alisá-la. Este não é um método popular, mas funciona em alguns casos. Ao selecionar o produto químico, deve-se prestar atenção à reatividade.
4. Revestimento
Vários revestimentos podem ser aplicados para atingir propriedades físicas específicas. Revestimentos metálicos como ouro ou cobre são às vezes usados para aumentar a resistência e a estética. Como as peças impressas em 3D são porosas, revestimentos à prova d'água, como silicone, podem ser aplicados para melhorar o desempenho.
5. Coloração/Envernizamento
Uma solução simples para melhorar a qualidade da superfície é aplicar uma camada de tinta ou verniz na superfície rugosa. Isso melhora o visual da peça, dá um toque de brilho e não leva muito tempo.
Aplicações de impressão 3D SLS
Devido aos seus inúmeros pontos fortes, o SLS é utilizado em diversas indústrias importantes.
1. Prototipagem e fabricação rápidas
As propriedades mecânicas das peças impressas em 3D SLS são comparáveis às peças fabricadas usando outros processos. No entanto, a produção é mais rápida e conveniente. Por esse motivo, as peças SLS são frequentemente usadas para prototipagem rápida e fabricação de produtos funcionais.
Graças às altas velocidades de impressão e à funcionalidade das peças, os desenvolvedores de produtos têm a liberdade de realizar rapidamente iterações de projeto.
2. Aviação e Automotivo
Ambas as indústrias procuram constantemente peças leves e resistentes a impactos – propriedades características da impressão SLS. É por isso que a impressão 3D está se tornando cada vez mais popular para a produção de peças individuais e elegantes para modernização ou decoração de carros.
Componentes retardadores de chama em motores de aeronaves são outra aplicação onde as propriedades específicas dos materiais SLS entram em ação. Além disso, o processo também é frequentemente utilizado para produzir dutos de ar e protótipos.
3. Medicina
Na indústria médica, próteses e órteses funcionais e projetadas individualmente são agora fabricadas por meio de impressão 3D. A tecnologia de digitalização 3D permite adaptar estas peças com precisão à estrutura corporal do paciente e o SLS ajuda a alcançar as propriedades mecânicas necessárias.
Serviços de impressão 3D SLS da WayKen
SLS é uma tecnologia popular de fabricação aditiva usada em muitas indústrias devido à sua precisão, exatidão e produtividade. No entanto, dominar esta tecnologia pode ser um desafio. Portanto, é importante trabalhar com um prestador de serviços respeitável que tenha a experiência e o conhecimento necessários para entregar resultados de alta qualidade.
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A sinterização seletiva a laser teve, sem dúvida, um grande impacto no cenário da manufatura aditiva nos últimos anos. O seu potencial e utilização estão em constante crescimento à medida que atrai a atenção de cada vez mais industriais.
Por fim, gostaríamos de recomendar aos nossos leitores que utilizem este guia ao tomarem a decisão de imprimir em 3D. Ainda é um mercado relativamente novo e você precisa estar bem informado antes de finalmente decidir sobre um processo e fabricante de impressão 3D.
Perguntas frequentes
Que tipos de impressoras 3D SLS existem?
As impressoras 3D SLS diferem de várias maneiras:
-Tamanho: impressoras de mesa com volume de construção de 100 x 100 x 100 mm até impressoras industriais de última geração com volumes de construção de até 500 x 500 x 500 mm.
-Tipos de laser: As impressoras SLS podem ser equipadas com laser CO2, laser de fibra, laser infravermelho ou diodo laser.
-Especificações de impressão: Especificações como velocidade de impressão, espessura mínima da camada, capacidade do material, etc. variam de produto para produto.
Qual é a diferença entre sinterização seletiva a laser (SLS) e fusão seletiva a laser (SLM)?
No SLS, as partículas do material são unidas por sinterização. Este processo ocorre abaixo da temperatura de fusão do material e as partículas simplesmente se fundem. Já no SLM, o trabalho é realizado acima da temperatura de fusão e as partículas são completamente fundidas para que se solidifiquem em uma parte homogênea.
A SLM produz peças com melhores propriedades mecânicas e é adequada para aplicações de altíssima qualidade. O SLS também produz peças funcionais, mas não é tão estável quanto o SLM.
Quais materiais são comumente usados para impressão 3D SLS?
Termofixos e poliuretano termoplástico são materiais comumente usados na impressão 3D SLS. Em particular, materiais como Nylon 12 e Nylon 11 são os mais populares. Algumas aplicações específicas também utilizam uma mistura desses materiais com metais (alumínio) ou fibras (fibra de carbono, fibra de vidro).
