La sinterización selectiva por láser ( SLS ) es una técnica de fabricación aditiva (AM) que utiliza un láser como fuente de energía y calor para sinterizar material en polvo (normalmente nailon o poliamida ), apuntando el láser automáticamente a puntos en el espacio definidos por un modelo 3D , vinculante. El material se une para crear una estructura sólida. [1] [2] [3] Es similar a la fusión selectiva por láser ; los dos son instancias del mismo concepto pero difieren en detalles técnicos. SLS (así como las otras técnicas de AM mencionadas) es una tecnología relativamente nueva que hasta ahora se ha utilizado principalmente para la creación rápida de prototipos y para la producción de bajo volumen de componentes. Las funciones de producción se están ampliando a medida que mejora la comercialización de la tecnología AM.
La sinterización selectiva por láser (SLS) fue desarrollada y patentada por el Dr. Carl Deckard y el asesor académico Dr. Joe Beaman en la Universidad de Texas en Austin a mediados de la década de 1980, bajo el patrocinio de DARPA . [4] Deckard y Beaman participaron en la nueva empresa resultante Desk Top Manufacturing (DTM) Corp, establecida para diseñar y construir las máquinas SLS. En 2001, 3D Systems, el mayor competidor de DTM Corp. y la tecnología SLS, adquirió DTM Corp. [5] La patente más reciente sobre la tecnología SLS de Deckard se emitió el 28 de enero de 1997 y expiró el 28 de enero de 2014. [6]
Un proceso similar fue patentado sin ser comercializado por RF Housholder en 1979. [7]
Como el SLS requiere el uso de láseres de alta potencia, su uso en el hogar suele ser demasiado caro, por no mencionar posiblemente demasiado peligroso. El gasto asociado y el peligro potencial de la impresión SLS debido a la falta de sistemas láser disponibles comercialmente con recintos de seguridad de Clase 1 significa que el mercado interno para la impresión SLS no es tan grande como el mercado de otras tecnologías de fabricación aditiva, como el modelado por deposición fundida ( DMD).
SLS, una tecnología de capas de fabricación aditiva, implica el uso de un láser de alta potencia (por ejemplo, un láser de dióxido de carbono ) para fusionar pequeñas partículas de polvos de plástico , metal , cerámica o vidrio en una masa que tiene la forma tridimensional deseada. El láser fusiona selectivamente material en polvo escaneando secciones transversales generadas a partir de una descripción digital tridimensional de la pieza (por ejemplo, de un archivo CAD o datos escaneados) en la superficie de un lecho de polvo. Después de escanear cada sección transversal, el lecho de polvo desciende una capa de espesor, se aplica una nueva capa de material encima y el proceso se repite hasta que se completa la pieza. [8]
Debido a que la densidad de la pieza terminada depende de la potencia máxima del láser, en lugar de la duración del láser, una máquina SLS generalmente utiliza un láser pulsado . La máquina SLS precalienta el material en polvo a granel en el lecho de polvo un poco por debajo de su punto de fusión, para facilitar que el láser eleve la temperatura de las regiones seleccionadas hasta el punto de fusión. [9]
A diferencia de SLA y FDM, que suelen requerir estructuras de soporte especiales para fabricar diseños colgantes, SLS no necesita un alimentador separado para el material de soporte porque la pieza que se construye está rodeada de polvo sin sinterizar en todo momento. Esto permite la construcción de geometrías antes imposibles. Además, dado que la cámara de la máquina siempre está llena de material en polvo, la fabricación de múltiples piezas tiene un impacto mucho menor en la dificultad general y el precio del diseño porque a través de una técnica conocida como ' Nesting ', donde se pueden colocar múltiples piezas para que encajen dentro Los límites de la máquina. Sin embargo, un aspecto del diseño que se debe tener en cuenta es que con SLS es "imposible" fabricar un elemento hueco pero completamente cerrado. Esto se debe a que no se pudo drenar el polvo no sinterizado dentro del elemento.
Desde que las patentes han comenzado a caducar, se han hecho posibles impresoras domésticas asequibles, pero el proceso de calentamiento sigue siendo un obstáculo, con un consumo de energía de hasta 5 kW y temperaturas que deben controlarse dentro de los 2 °C para las tres etapas de precalentamiento, fusión y almacenamiento antes de retirarlo. [1] Archivado el 28 de abril de 2015 en Wayback Machine.
La calidad de las estructuras impresas depende de diversos factores que incluyen las propiedades del polvo, como el tamaño y la forma de las partículas, la densidad, la rugosidad y la porosidad. [10] Además, la distribución de las partículas y sus propiedades térmicas afectan mucho la fluidez del polvo. [11]
Los materiales disponibles comercialmente utilizados en SLS vienen en forma de polvo e incluyen, entre otros, polímeros como poliamidas (PA), poliestirenos (PS), elastómeros termoplásticos (TPE) y poliariletercetonas (PAEK). [12] Las poliamidas son los materiales SLS más utilizados debido a su comportamiento de sinterización ideal como termoplástico semicristalino , lo que da como resultado piezas con propiedades mecánicas deseables. [13] El policarbonato (PC) es un material de gran interés para SLS debido a su alta tenacidad, estabilidad térmica y resistencia a las llamas; sin embargo, dichos polímeros amorfos procesados por SLS tienden a dar como resultado piezas con propiedades mecánicas y precisión dimensional disminuidas y, por lo tanto, están limitados a aplicaciones en las que son de baja importancia. [13] Los materiales metálicos no se utilizan comúnmente en SLS desde el desarrollo de la fusión selectiva por láser .
Las partículas de polvo generalmente se producen mediante molienda criogénica en un molino de bolas a temperaturas muy por debajo de la temperatura de transición vítrea del material, que se puede alcanzar ejecutando el proceso de molienda con materiales criogénicos agregados como hielo seco (molienda en seco) o mezclas de líquidos. nitrógeno y disolventes orgánicos (molienda húmeda). [14] El proceso puede dar como resultado partículas esféricas o de forma irregular de tan solo cinco micrones de diámetro. [14] Las distribuciones de tamaño de partículas de polvo son típicamente gaussianas y varían de 15 a 100 micrones de diámetro, aunque esto se puede personalizar para adaptarse a diferentes espesores de capa en el proceso SLS. [15] Se pueden aplicar recubrimientos aglutinantes químicos a las superficies del polvo después del proceso; [16] Estos recubrimientos ayudan en el proceso de sinterización y son especialmente útiles para formar piezas de material compuesto, como partículas de alúmina recubiertas con resina epoxi termoestable . [15]
La sinterización en SLS ocurre principalmente en estado líquido cuando las partículas de polvo forman una capa de microfusión en la superficie, lo que resulta en una reducción de la viscosidad y la formación de un puente radial cóncavo entre las partículas, conocido como estrechamiento, [16] debido a la Respuesta del material para reducir su energía superficial. En el caso de los polvos recubiertos, el objetivo del láser es fundir el recubrimiento de la superficie que actuará como aglutinante. La sinterización en estado sólido también es un factor contribuyente, aunque con una influencia mucho menor, y se produce a temperaturas inferiores a la temperatura de fusión del material. La principal fuerza impulsora detrás del proceso es nuevamente la respuesta del material para reducir su estado de energía libre, lo que resulta en la difusión de moléculas a través de las partículas.
La tecnología SLS se utiliza ampliamente en muchas industrias de todo el mundo debido a su capacidad para crear fácilmente geometrías complejas con poco o ningún esfuerzo de fabricación adicional. Su aplicación más común es en piezas prototipo en las primeras etapas del ciclo de diseño , como patrones de fundición a la cera perdida , hardware automotriz y modelos de túnel de viento . El SLS también se utiliza cada vez más en la fabricación de tiradas limitadas para producir piezas de uso final para hardware aeroespacial, militar, [17] médico, farmacéutico, [18] y electrónico. En un taller, SLS se puede utilizar para la fabricación rápida de herramientas, plantillas y accesorios . [19]