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 , uniendo el material para crear una estructura sólida. [1] [2] [3] Es similar a la fusión selectiva por láser ; las dos son instancias del mismo concepto pero difieren en detalles técnicos. SLS (así como las otras técnicas 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 piezas de componentes. Los roles de producción se están expandiendo a medida que mejora la comercialización de la tecnología AM.
El sinterizado selectivo por láser (SLS) fue desarrollado y patentado por el Dr. Carl Deckard y el asesor académico, el 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 empresa emergente 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 relacionada con 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, suele ser demasiado caro, por no hablar de que posiblemente sea demasiado peligroso, para su uso en el hogar. El gasto asociado y el peligro potencial de la impresión SLS debido a la falta de sistemas láser disponibles comercialmente con carcasas de seguridad de clase 1 significa que el mercado doméstico de la impresión SLS no es tan grande como el mercado de otras tecnologías de fabricación aditiva, como el modelado por deposición fundida (FDM).
La tecnología de fabricación aditiva por capas, SLS, implica el uso de un láser de alta potencia (por ejemplo, un láser de dióxido de carbono ) para fusionar pequeñas partículas de plástico , metal , cerámica o polvos de vidrio en una masa que tiene una forma tridimensional deseada. El láser fusiona selectivamente el material en polvo escaneando secciones transversales generadas a partir de una descripción digital en 3D 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 se reduce en una capa de espesor, se aplica una nueva capa de material encima y el proceso se repite hasta que se completa la pieza. [8]
Dado que la densidad de la pieza terminada depende de la potencia máxima del láser, en lugar de la duración del láser, una máquina SLS normalmente 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 el resto del camino hasta el punto de fusión. [9]
A diferencia de la SLA y la FDM, que suelen requerir estructuras de soporte especiales para fabricar diseños en voladizo, la SLS no necesita un alimentador independiente para el material de soporte porque la pieza que se está construyendo está rodeada de polvo no sinterizado en todo momento. Esto permite la construcción de geometrías que antes eran 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 " Anidamiento ", se pueden colocar múltiples piezas para que encajen dentro de los límites de la máquina. Sin embargo, un aspecto del diseño que se debe tener en cuenta es que con la SLS es "imposible" fabricar un elemento hueco pero completamente cerrado. Esto se debe a que el polvo no sinterizado dentro del elemento no se puede drenar.
Desde que las patentes han comenzado a expirar, 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 la extracción. [1] Archivado el 28 de abril de 2015 en Wayback Machine.
La calidad de las estructuras impresas depende de varios factores que incluyen 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 a 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 la llama; sin embargo, dichos polímeros amorfos procesados por SLS tienden a dar como resultado piezas con propiedades mecánicas disminuidas, precisión dimensional y, por lo tanto, se limitan a aplicaciones donde estas 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 se producen típicamente 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 nitrógeno líquido y solventes orgánicos (molienda en húmedo). [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 de aglutinante químico a las superficies de polvo después del proceso; [16] estos recubrimientos ayudan en el proceso de sinterización y son especialmente útiles para formar piezas de material compuesto como con partículas de alúmina recubiertas con resina epoxi termoendurecible . [15]
La sinterización en SLS ocurre principalmente en estado líquido cuando las partículas de polvo forman una microcapa de material fundido en la superficie, lo que da como resultado una reducción de la viscosidad y la formación de un puente radial cóncavo entre partículas, conocido como estrechamiento, [16] debido a la respuesta del material a la reducción de su energía superficial. En el caso de polvos recubiertos, el propósito 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 ocurre a temperaturas inferiores a la temperatura de fusión del material. La principal fuerza impulsora detrás del proceso es nuevamente la respuesta del material a la reducción de su estado de energía libre, lo que da como resultado la difusión de moléculas a través de las partículas.
La tecnología SLS se utiliza ampliamente en muchas industrias en todo el mundo debido a su capacidad de crear fácilmente geometrías complejas con poco o ningún esfuerzo de fabricación adicional. Su aplicación más común es en piezas de prototipos al principio del ciclo de diseño , como patrones de fundición de inversión , hardware automotriz y modelos de túnel de viento . 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]