rendono questa tecnologia ideale per un ampio range di applicazioni, dai prototipi funzionali ai piccoli lotti produttivi.
I recenti sviluppi tecnologici nella produzione di macchine, il miglioramento delle caratteristiche tecniche dei materiali e dei software, hanno reso la SLS accessibile alle industrie di molti settori.
LE ORIGINI DELLA SLS
La SLS è stata una delle prime tecniche di additive manufacturing ad essere sviluppata, nella metà degli anni ‘80 da Dr. Carl Deckard e da Dr. Joe Beaman all’università del Texas a Austin.
Le due tecnologie a fusione di polvere più diffuse oggi sono:
1. SLS (Selective Laser Sintering) basata sulla fusione di polveri plastiche
2. DMLS (Direct Metal Laser Sintering) o SLM (Selective Laser Melting) basata sulla fusione di polveri metalliche
Fino a pochissimo tempo fa, entrambi questi sistemi avevano dei costi proibitivi ed erano molto complessi, limitando il loro uso alla realizzazione di parti custom molto costose (es. settore aerospaziale o medico).
IL PROCESSO DI STAMPA 3D SLS
Le stampanti 3D SLS utilizzano un laser molto potente per fondere piccole particelle di polvere polimerica.
1. Un piccolo strato di polvere viene depositato all’interno della build chamber.
2. Prima dell’inizio del processo di stampa 3D vero e proprio, la macchina preriscalda la polvere ad una temperatura leggermente inferiore rispetto al punto di fusione del materiale grezzo. Questo permette al laser di raggiungere più facilmente la temperatura di fusione, nella regione specifica definita dal modello 3D.
3. Il laser percorre la sezione trasversale del modello 3D portando la polvere alla temperatura di fusione. Questo permette alle particelle di unirsi, creando un’unica parte solida. La polvere che invece non viene colpita dal laser ed è quindi allo stato solido funge da supporto della parte. Il grande vantaggio della tecnologia di stampa 3D SLS è proprio la possibilità di evitare di creare apposite strutture di supporto.
4. La piattaforma si abbassa di un layer all’interno della build chamber, tipicamente tra i 50 e i 200 micron e un “recoater” applica un nuovo strato di polvere. Il laser quindi scansiona la sezione trasversale successiva.
5. Questo processo viene ripetuto per tutti i layer, fino al termine del pezzo. Le parti terminate rimangono all’interno della build chamber e si raffreddano gradualmente.
6. Una volta che il processo di stampa 3D è terminato, l’operatore rimuove la build chamber dalla macchina, per trasferirla all’interno della cleaning station, la stazione per la rimozione della polvere in eccesso.
POST-PROCESSING
Il post-processing a cui devono essere sottoposti i pezzi stampati mediante tecnologia di stampa 3D SLS, richiede poco tempo e permette di raggiungere buoni risultati.
Una volta che la stampa 3D è terminata, le parti vengono estratte dalla build chamber e viene eliminata la polvere in eccesso. Questo processo di solito viene svolto manualmente, utilizzando un compressore.
Le parti realizzate con tecnologia di stampa 3D SLS sono leggermente ruvide e granulose al tatto ed hanno una finitura superficiale simile alla carta vetrata. I trattamenti di post-processing adatti alla polvere di Nylon sono molteplici:
+ sabbiatura
+ burattatura
+ verniciatura
+ tintura
RECUPERO DELLA POLVERE
Tutta la polvere in eccesso che non viene utilizzata durante la stampa 3D deve essere filtrata per rimuovere le particelle di dimensioni più elevate e può essere riciclata. La polvere non fusa degrada leggermente quando viene esposta alle alte temperature, perciò è necessario mescolarla con del nuovo materiale prima di utilizzarla nuovamente per i lavori successivi.
Questa possibilità di poter riutilizzare la polvere più volte, rende la tecnologia di stampa 3D SLS uno dei processi produttivi con il minor spreco.
PROCESSI INDUSTRIALI VS DESKTOP
La Selective Laser Sintering è una tecnologia ampiamente utilizzata per numerose applicazioni industriali: la produzione di alcuni componenti di turbine per velivoli, oppure di parti di mezzi pesanti ne sono solo alcuni esempi.
Le stampanti 3D SLS industriali utilizzano uno o più laser CO2 (ad anidride carbonica) ad alta potenza. Più grande è il volume di stampa 3D e più aumenta la complessità del processo. Le macchine più piccole richiedono un ingombro di circa 10 m2.
I sistemi di stampa 3D SLS in formato desktop invece (come il Fuse 1), garantiscono il raggiungimento di risultati simili ai complessi e costosi processi industriali, ma in un formato molto più compatto e maneggevole.
La componentistica all’interno è leggermente diversa:
+ i sistemi desktop utilizzano un diodo laser invece che un laser CO2 che garantisce comunque un fascio molto preciso ad un prezzo inferiore;
+ un volume di stampa inferiore richiede meno energia per il pre-riscaldamento;
+ poiché la polvere rimane esposta all’elevata temperatura per un tempo inferiore, non è necessario l’utilizzo di gas inerti, oppure l’installazione di particolari dispositivi per il trattamento dell’aria;
+ il minor consumo complessivo di energia richiesta dai sistemi desktop, permette l’utilizzo della corrente AC standard, senza l’installazione di particolari infrastrutture.
TABELLA COMPARATIVA
DESKTOP SLS | SLS INDUSTRIALE | |
Costo | 10.000 $ (solo Fuse 1) | 200.000 $ a 1.000.000 $ |
Volume di stampa | 165 x 165 x 320 mm | 550 x 550 x 750 mm |
Vantaggi | Affidabilità Flusso operativo semplificato Ridotta manutenzione Ingombro ridotto | Ampio volume di stampa Produzione su larga scala Ampio range di materiali disponibili |
Svantaggi | Medio volume di stampa Ridotta velocità del processo | Costo elevato Ingombro elevato Alti costi di manutenzione Operatore sempre presente |
IL NYLON PER PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE
Il materiale plastico più utilizzato per la tecnologia di stampa 3D SLS è il Nylon, una termoplastica ampiamente in uso in ambito meccanico grazie alle sue proprietà di leggerezza, resistenza e flessibilità. Il Nylon è inoltre resistente agli urti, agli attacchi chimici, termici, alla luce UV ed è idrorepellente.
TABELLA COMPARATIVA
Nylon PA12 | Nylon PA11 | |
Resistenza a trazione | 50 MPa | 48 MPa |
Modulo di Young | 1850 MPa | 1560 MPa |
Allungamento a rottura | 12% | 35% |
HDT @ 0.45 MPa | 154°C | 130°C |
Le polveri di Nylon 11 e 12 possono essere utilizzate singolarmente, oppure possono anche essere miscelate con altri materiali. I compositi di Nylon con Carbonio, vetro o altro sono sviluppate per ottenere parti con proprietà meccaniche più elevate.
In questo caso, solo il componente con la temperatura di transizione vetrosa più bassa viene sinterizzato, legando però entrambi i componenti della polvere.
UN MATERIALE DUREVOLE
La chiave del successo della tecnologia SLS è la versatilità del materiale. Il Nylon e i suoi composti infatti sono delle termoplastiche di alta qualità. Con il termine termoplastiche si intende tutte le plastiche che possono essere fuse più volte per creare nuovi componenti, senza che se ne degradi la qualità.
Le parti realizzate in Nylon hanno proprietà meccaniche analoghe alle parti prodotte con i metodi tradizionali, come lo stampaggio ad iniezione. Il Nylon SLS è ideale per creare giunti e snap-fit durevoli e con un’alta resistenza all’usura.
E’ indicato in tutte le situazioni nella quale sono richieste parti in materiale plastico che non degradino e non diventino fragili nel tempo.
PERCHÉ SCEGLIERE LA TECNOLOGIA SLS
Ingegneri e progettisti scelgono la SLS grazie all’estrema libertà di design, alla alta capacità produttiva e al basso costo per parte.
LIBERTÀ DI DESIGN
La SLS non necessita di alcuna struttura di supporto, in quanto la polvere non sinterizzata funge da sostegno per la parte durante il processo di stampa 3D. Con questa tecnologia è possibile realizzare forme prima molto difficili o addirittura impossibili, come incastri, parti mobili, pezzi con scanalature interne complesse o dal design inusuale.
Gli ingegneri generalmente, progettano le parti conoscendo i limiti del processo produttivo con il quale verrà realizzata la parte. Questo approccio viene denominato DFM, Design For Manufacturing.
ELEVATA PRODUTTIVITÀ’
La Selective Laser Sintering è la tecnologia additiva più rapida; il laser che fonde la polvere infatti ha una velocità di scansione molto elevata e un’accuratezza maggiore rispetto ai tradizionali metodi per deposizione di filamento.
Le parti con geometrie differenti possono essere inserite all’interno della build chamber in modo che sia “satura”, massimizzando il volume disponibile. Gli operatori utilizzano il software per ottimizzare lo spazio, lasciando il minimo gap tra due parti differenti.
La parti possono essere aggiunte alla build mentre il processo di stampa 3D è ancora in atto. Questo garantisce la possibilità di modificare anche all’ultimo momento il design dei pezzi.
BASSO COSTO-PER-PARTE
Il calcolo del costo-per-parte di un processo produttivo comprende solitamente:
1. COSTO DELLA MACCHINA: più alta è la produttività di una macchina e minore sarà il costo-per-parte. Considerando la rapidità della scansione laser, l’ottimizzazione dello spazio all’interno della build chamber e la semplicità di post-processing, la SLS offre la più alta capacità produttiva, se paragonata alle altre tecnologie di stampa 3D.
2. MATERIALE: il Nylon è una delle termoplastiche più comuni, prodotta in grande quantità per usi industriali e quindi risulta essere uno dei materiali grezzi meno costosi disponibili sul mercato. La possibilità di riciclare la polvere inoltre, permette di creare il minimo rifiuto.
3. POST-PROCESSING: Il tallone d’Achille delle soluzioni di stampa 3D è il post-processing. Molti processi produttivi hanno dei flussi che sono molto complessi da automatizzare, il che influenza sostanzialmente il costo-per-parte. La semplicità del post-processing nella tecnologia di stampa 3D SLS è in grado di abbattere i costi.
CICLO PRODUTTIVO RIDOTTO
La tecnologia di stampa 3D SLS permette ai progettisti di snellire le tempistiche del ciclo produttivo. Viene utilizzato lo stesso materiale per produrre il prototipo e il prodotto finito e soprattutto è possibile testare le parti all’interno della propria azienda. I prototipi possono essere modificati nel giro di pochi giorni, riducendo drasticamente i tempi richiesti da un ciclo produttivo.
Considerando il basso costo-per-parte, le performance del materiale e la velocità del processo, la SLS è probabilmente il metodo più economico per creare parti molto complesse, personalizzate, oppure piccoli lotti produttivi.
Per avere maggiori informazioni e per preordinare il Fuse 1 è possibile scrivere a sales@manufat.com.