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Entenda a tecnologia SLS

Sinterização Seletiva a Laser

(Selective Laser Sintering – SLS) é uma manufatura aditiva (MA) que utiliza um laser para sinterizar material plástico em pó em uma estrutura sólida com base em um modelo 3D. A SLS tem sido uma escolha popular de engenheiros para desenvolvimento de produtos por décadas. Baixo custo unitário, alta produtividade e materiais estabelecidos tornam esta tecnologia ideal para uma grande variedade de aplicações – desde prototipagem funcional até a manufatura de pequenos lotes e pontes.

Os avanços recentes em máquinas, materiais e software tornaram o SLS acessível a uma gama mais ampla de negócios, permitindo que mais e mais empresas usassem ferramentas anteriormente limitadas a algumas indústrias de alta tecnologia.

Neste guia, abordaremos o processo SLS, os diferentes sistemas e materiais disponíveis no mercado e quando considerar o uso de sinterização laser seletiva sobre outros métodos de fabricação aditivos e tradicionais.

As Origens do SLS

A sinterização seletiva de laser (SLS) foi uma das primeiras técnicas de fabricação de aditivos, desenvolvidas em meados da década de 1980 pelo Dr. Carl Deckard e Dr. Joe Beaman na Universidade do Texas em Austin. O seu método foi desde então adaptado para trabalhar com uma variedade de materiais, incluindo plásticos, metais, vidro, cerâmica e vários materiais compostos em pó. Hoje, essas tecnologias são coletivamente categorizadas como processos de fabricação de aditivos de fusão em pó, pelo qual a energia térmica funde seletivamente as regiões de um leito em pó. Os dois sistemas de fusão em pó mais comuns hoje são de base plástica, comumente designados por SLS, e baseados em metal, conhecidos como sinterização direta de metal a laser (DMLS) ou fusão de laser seletiva (SLM). Até recentemente, ambos os sistemas eram proibitivamente caros e complexos, limitando seu uso a pequenas quantidades de alto valor ou peças personalizadas, como componentes aeroespaciais ou dispositivos médicos. A inovação no campo surgiu recentemente, e o SLS baseado em plástico agora está pronto para seguir outras tecnologias de impressão 3D como a estereolitografia (SLA) e a modelagem de deposição fundida (FDM) para obter uma adoção generalizada com sistemas compactos e acessíveis.

Como o SLS funcion

As impressoras SLS 3D usam um laser de alta potência para fundir pequenas partículas de pó de polímero.

O processo de impressão

O pó é disperso em uma camada fina em cima de uma plataforma dentro da câmara de construção.
A impressora pré-aquece o pó até uma temperatura abaixo do ponto de fusão da matéria-prima. Isso torna mais fácil para o laser elevar a temperatura de regiões específicas da câmara de pó enquanto traça o modelo para solidificar uma peça.
O laser varre uma seção transversal do modelo 3D, aquecendo o pó até seu ponto de fusão. Isso combina as partículas juntas mecanicamente para criar uma parte sólida. O pó não fundido suporta a peça durante a impressão e elimina a necessidade de estruturas de suporte dedicadas.

A plataforma reduz para uma camada dentro da câmara de construção, tipicamente entre 50 a 200 microns, e um recobrimento aplica uma nova camada de pó na parte superior. O laser então verifica a próxima seção transversal da compilação.

Este processo se repete para cada camada até que as peças estejam completas. Quando finalizadas, são deixadas para cura gradual dentro da impressora.

Recuperação de peças e pós-processamento

O pós-processamento do SLS requer pouco tempo e mão-de-obra mínima, levando a resultados consistentes para lotes de muitas partes.

Depois de concluir o trabalho de impressão, as peças acabadas precisam ser removidas da câmara de construção, separadas e limpas do excesso de pó. Este processo normalmente é concluído manualmente em uma estação de limpeza usando ar comprimido ou um blaster de mídia.

As peças SLS possuem um acabamento de superfície ligeiramente áspero e granulado após serem retiradas da impressora, semelhante a uma lixa de grão médio. O Nylon oferece uma variedade de possibilidades para o pós-processamento, como rolamento, pintura, tingimento, revestimento metálico, ligação, revestimento em pó e flocagem.

Recuperação de Material

Qualquer excesso de pó que permanece após a recuperação parcial é filtrado para remover partículas maiores e pode ser reciclado. O pó não condensado degrada-se ligeiramente com a exposição a altas temperaturas, por isso deve ser atualizado com material novo para trabalhos de impressão subseqüentes. Esta capacidade de reutilizar material para trabalhos subsequentes faz do SLS um dos métodos de fabricação com menor desperdício.

Tipos de sistemas SLS

Todos os sistemas SLS são construídos em torno do processo descrito acima. Os principais diferenciadores são o tipo de laser e o tamanho da câmara de impressão. Diferentes sistemas empregam soluções diferentes para controle de temperatura, distribuição de pó e deposição de camada.

A sinterização seletiva a laser requer um alto nível de precisão e controle. A temperatura do pó juntamente com as partes (incompletas) deve ser controlada dentro de 2°C durante os três estágios de pré-aquecimento, sinterização e armazenamento antes da remoção, para minimizar a deformação, tensões e distorção induzida pelo calor.

SLS industrial

O SLS industrial tem sido utilizado para inúmeras aplicações, desde peças sobressalentes para o maior fabricante de caminhões do mundo até roupas impressas sob encomenda. Os maiores sistemas podem imprimir peças de 1 metro de comprimento.

Os sistemas SLS industriais utilizam um ou múltiplos lasers de dióxido de carbono de alta potência. Quanto maior o volume de compilação, mais complexo é o sistema. O SLS industrial requer um ambiente inerte – nitrogênio e outros gases – para evitar que o pó seja oxidado e degradante. Assim, o SLS industrial exige equipamento especializado em tratamento de ar. Esses sistemas também requerem porte industrial; Mesmo as máquinas industriais mais pequenas precisam de espaço de instalação de pelo menos 10 m².

SLS Desktop

Os sistemas Benchtop SLS (como a Sinterit) conseguem resultados comparáveis ​​aos sistemas industriais de uma forma mais compacta e gerenciável.

 

Comparação de sistemas SLS

 

Desktop Industrial
Preço A partir de R$ 170mil A partir de R$ 2 milões
Área de Impressão até 9x11x13cm até 55x55x75cm
Prós Acessível

Simplificada

Baixo custo de manutenção

Requer pouco espaço

Área de impressão grande

Alta velocidade de produção

Maior variedade de materiais

Contras Área de impressão reduzida Requer muito espaço

Maquinário complexo

Necessita de operador

Alto custo de manutenção

Os sistemas desktop utilizam um diodo ou um laser de fibra ao invés dos lasers de CO² usados ​​por sistemas industriais para fornecer qualidade de feixe igual a um custo menor.

O menor volume de construção de uma máquina de bancada requer menor aquecimento. À medida em que o pó fica exposto a temperaturas elevadas por um período de tempo mais curto, menor se torna a necessidade de gases inertes e de equipamentos especializados de tratamento de ar. O consumo global de energia menor permite que sistemas de bancada funcionem com energia CA padrão sem infraestrutura especializada.

Em geral, os sistemas desktop oferecem um volume de construção ligeiramente reduzido e uma velocidade mais lenta em comparação com os sistemas SLS industriais menores, em troca de uma infraestrutura mais acessível e custos reduzidos.

Nylon: um material para prototipagem e produção

O material mais comum para sinterização seletiva a laser é o nylon, um termoplástico de engenharia popular, amado por suas propriedades leves, fortes e flexíveis. O nylon é estável contra impactos, produtos químicos, calor, luz UV, água e sujeira.

O nylon é um polímero termoplástico sintético que pertence à família de poliamidas. Suas duas versões comumente usadas para SLS são Nylon 11 e 12, ou PA11 e PA12.

PA é a abreviatura de poliamida, e os números representam o número de átomos de carbono no material. Ambos são semelhantes nas propriedades do material, porém o PA11 é ligeiramente mais flexível e resistente ao impacto, enquanto o PA12 é mais forte, mais resistente à abrasão e biocompatível.

SLS – Propriedades do Nylon

 

PA12 PA11
Força de Tensão 50 MPa 48 MPa
Alongamento na Ruptura 12% 35%
Temperatura de Deflexão Térmica (HDT) 154ºC @ 0.45 MPa 130ºC @ 0.45 MPa

Nylon 11 e 12 são em insumos pó de um único componente, mas as impressoras SLS 3D também podem usar pós de dois componentes, tais como pós revestidos ou misturas em pó. Compostos de nylon com alumineto, carbono ou vidro são desenvolvidos para otimizar peças para maior resistência, rigidez ou flexibilidade. Com estes pós de dois componentes, apenas o componente com o ponto de transição de vidro inferior é sinterizado, vinculando ambos os componentes.

Por que escolher SLS?

Os engenheiros escolhem SLS por sua liberdade de design, alta produtividade e transferência de dados, baixo custo por peça e histórico comprovado.

Benefícios do SLS

Veja abaixo alguns benefícios da tecnologia SLS

Sem suportes

A maioria dos processos de fabricação de aditivos, como a estereolitografia (SLA) e a modelagem por deposição fundida (FDM), requerem estruturas de suporte especializadas para fabricar projetos com recursos pendentes.

A sinterização seletiva por laser não requer estruturas de suporte porque o pó não-imobilizado envolve as peças durante a impressão. O SLS pode produzir geometrias previamente impossíveis, como peças interligadas ou móveis, peças com componentes ou canais internos e outros projetos altamente complexos.

Os engenheiros geralmente projetam peças com as capacidades do processo de fabricação final em mente, também conhecido como design para fabricação (DFM). Quando a fabricação de aditivos é usada apenas para protótipos, é limitada a peças e projetos que as ferramentas de fabricação convencionais podem, em última instância, se reproduzir durante a produção.

Como o SLS se torna um método de fabricação viável para um número crescente de aplicações de uso final, ele tem o potencial de desencadear novas possibilidades de projeto e engenharia. O SLS pode imprimir desenhos complexos em uma única impressão que normalmente exigiria várias peças. Isso ajuda a aliviar as juntas fracas e reduz o tempo de montagem.

A sinterização seletiva por laser pode levar o design generativo ao seu potencial, permitindo projetos leves que empregam estruturas de rede complexas impossíveis de fabricar com métodos tradicionais.

Alta produtividade e throughput

SLS é a tecnologia de fabricação aditiva mais rápida para protótipos funcionais e duráveis ​​e peças de uso final. Os lasers que fundem o pó têm uma velocidade de varredura muito mais rápida e são mais precisos do que os métodos de deposição de camada usados ​​em outros processos, como o FDM industrial.

Várias peças podem ser bem arranjadas durante a impressão para maximizar o espaço de construção disponível em cada máquina. Os operadores usam software para otimizar cada compilação para a maior produtividade, deixando apenas uma distância mínima entre as partes.

As peças podem ser adicionadas à compilação enquanto a impressão já está em andamento. Isso proporciona a oportunidade para mudanças de design de última hora ou para adicionar iterações consecutivas de um protótipo.

Materiais de longa durabilidade comprovada

A chave para a funcionalidade e versatilidade da impressão SLS 3D é o material. Nylon e seus compósitos são comprovados, termoplásticos de alta qualidade. As peças de nylon sinterizadas com laser possuem cerca de 100 por cento de densidade com propriedades mecânicas comparáveis ​​às criadas com métodos de fabricação convencionais, como moldagem por injeção.

O nylon SLS é um ótimo substituto para plásticos de moldagem por injeção comum. Oferece dobradiças com vida útil superior, encaixes instantâneos e outras juntas mecânicas em comparação com qualquer outra tecnologia de fabricação de aditivos. É ideal para aplicações funcionais que requerem peças de plástico que durarão onde as peças produzidas com outros métodos AM se degradariam e se tornariam frágeis ao longo do tempo.

Custo Competitivo por Parte

O cálculo do custo unitário geralmente requer contabilização da propriedade do equipamento, material e custos trabalhistas:

  • Propriedade do equipamento: quanto mais peças uma máquina pode produzir ao longo de sua vida útil, menores os custos atribuíveis a cada parte individual. Conseqüentemente, uma maior produtividade leva a um menor custo de propriedade do equipamento, por peça. Dada a velocidade de digitalização rápida do laser, o nidificação de peças para maximizar a capacidade de construção e o pós-processamento simples, a SLS oferece a maior produtividade e throughput de todas as técnicas de fabricação de aditivos plásticos.
  • Material: enquanto a maioria das tecnologias de impressão 3D usa materiais proprietários, o nylon é um termoplástico comum produzido em grandes quantidades para fins industriais, tornando-se uma das matérias-primas menos dispendiosas para a fabricação de aditivos. Além disso, a falta de estruturas de suporte e pó reutilizável significa que o SLS produz um desperdício mínimo.
  • Trabalho: O calcanhar de Aquiles de muitas soluções de impressão 3D é o trabalho. A maioria dos processos tem fluxos de trabalho complexos que são difíceis de automatizar, o que pode influenciar substancialmente o custo por peça. O fluxo de trabalho de pós-processamento simples de SLS significa menor trabalho necessário.

Ciclos de desenvolvimento de produtos reduzidos

A sinterização seletiva de laser permite que os engenheiros prototipem peças no início do ciclo de projeto e, em seguida, usem a mesma máquina e material para produzir peças de uso final. O SLS não exige o mesmo equipamento caro e demorado que a fabricação tradicional, de modo que protótipos de peças e montagens podem ser testados e facilmente modificados ao longo de alguns dias. Isso reduz drasticamente o tempo de desenvolvimento do produto.

Dado seu baixo custo por peça e materiais versáteis e duradouros, o SLS é uma maneira econômica de produzir peças complexas e personalizadas ou uma série de pequenos componentes para produtos finais. Em muitos casos, a SLS é uma alternativa econômica para a moldagem por injeção para fabricação de ponte limitada ou ponte.

Conheça a Sinterit

Até o momento, as máquinas SLS apresentavam custos de entrada proibitivos para a maioria das empresas, com uma única máquina custando mais de R$ 2 Milhões.
Com a Sinterit, a 3D Criar traz ao Brasil uma nova alternativa muito mais acessível – a SLS Desktop, que proporciona os meios de produção a uma maior variedade de negócios.