Sinterización selectiva por láser

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 (típicamente nailon o poliamida ), dirigiendo automáticamente el láser 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 ; ambas son instancias del mismo concepto, pero difieren en detalles técnicos. La 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 expandiendo 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 su 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 ]}

Dado que la tecnología SLS requiere el uso de láseres de alta potencia, suele ser demasiado cara, por no mencionar que posiblemente demasiado peligrosa, para su uso doméstico. El elevado coste y el peligro potencial de la impresión SLS, debido a la falta de sistemas láser disponibles comercialmente con carcasas de seguridad de Clase 1, hacen que el mercado doméstico de la impresión SLS no sea tan grande como el de otras tecnologías de fabricación aditiva, como el modelado por deposición fundida (FDM).

La tecnología de fabricación aditiva por capas SLS utiliza un láser de alta potencia (por ejemplo, un láser de dióxido de carbono ) para fusionar pequeñas partículas de polvo de plástico , metal , cerámica o vidrio en una masa con la forma tridimensional deseada. El láser fusiona selectivamente el material en polvo escaneando secciones transversales generadas a partir de una descripción digital tridimensional de la pieza (por ejemplo, a partir de un archivo CAD o datos de escaneo) sobre la superficie de un lecho de polvo. Después de escanear cada sección transversal, el lecho de polvo se baja una capa de espesor, se aplica una nueva capa de material encima y el proceso se repite hasta completar 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 ligeramente por debajo de su punto de fusión, para facilitar que el láser eleve la temperatura de las regiones seleccionadas hasta alcanzar el punto de fusión. ^{[ 9 ]}

A diferencia de SLA y FDM, que suelen requerir estructuras de soporte especiales para fabricar diseños con voladizos, SLS no necesita material adicional ni consideraciones especiales para dichas estructuras, ya que la pieza que se está construyendo está rodeada de polvo sin sinterizar en todo momento. Esto permite la construcción de geometrías antes imposibles. Dado que la cámara de la máquina siempre está llena de material en polvo, se puede utilizar la función de anidamiento para ahorrar tiempo y costes imprimiendo varias piezas a la vez. Mientras que las impresiones SLA y FDM pueden contener piezas huecas pero completamente cerradas, SLS requiere que las cavidades huecas tengan una abertura para drenar el polvo sin sinterizar que contienen.

Las impresoras SLS domésticas asequibles se han vuelto posibles gracias a la expiración de las patentes pertinentes, pero el proceso de calentamiento aún tiene requisitos estrictos, 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.Archivado el 28 de abril de 2015 en Wayback Machine.

La calidad de las estructuras impresas depende de varios factores, incluidas 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 tienen un efecto significativo en la fluidez del polvo. ^{[ 11 ]}

Los materiales disponibles comercialmente utilizados en SLS vienen en forma de polvo e incluyen, pero no se limitan a, polímeros como poliamidas (PA), poliestirenos (PS), elastómeros termoplásticos (TPE) y poliariletercetonas (PAEK). ^{[ 12 ]} Las poliamidas son los materiales SLS más comúnmente 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 y/o precisión dimensional disminuidas y por lo tanto se limitan a aplicaciones donde estas son de poca importancia. ^{[ 13 ]} Los materiales metálicos no se utilizan comúnmente en SLS desde el desarrollo de la fusión selectiva por láser .

Mecanismos de sinterización

La sinterización en SLS ocurre principalmente en estado líquido cuando las partículas de polvo forman una capa microfundida en la superficie, lo que resulta en 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 disminuir su energía superficial. En el caso de polvos recubiertos, el propósito del láser es fundir el recubrimiento superficial 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 disminuir 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 alrededor del 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 al principio del ciclo de diseño , como para patrones de fundición de precisión , componentes automotrices y modelos para túneles de viento . SLS también se utiliza cada vez más en la fabricación de series limitadas para producir piezas de uso final para componentes aeroespaciales, militares, ^{[ 17 ]} médicos, farmacéuticos [ ^{18 ] y} electrónicos. En un taller, SLS se puede utilizar para la fabricación rápida de herramientas, plantillas y dispositivos de fijación . ^{[ 19 ]}

• El lecho de polvo sinterizado es totalmente autoportante, lo que permite:
  • Ángulos de voladizo elevados (de 0 a 45 grados con respecto al plano horizontal)
  • Geometrías complejas integradas profundamente en las piezas, como por ejemplo canales de refrigeración conformados.
  • Producción en lotes de múltiples piezas producidas en matrices 3D, un proceso llamado anidamiento.
• Las piezas poseen alta resistencia y rigidez.
• Buena resistencia química
• Diversas posibilidades de acabado (por ejemplo, metalización, esmaltado al horno, pulido vibratorio, coloración de la tina, adhesión, recubrimiento en polvo, recubrimiento, flocado).
• Biocompatible según EN ISO 10993-1 ^{[ 20 ]} y USP/nivel VI/121  °C
• Es posible fabricar piezas complejas con componentes internos sin que el material quede atrapado en el interior ni que la superficie se vea alterada por la eliminación de los soportes.
• El proceso de fabricación aditiva más rápido para imprimir prototipos funcionales y duraderos o piezas para el usuario final.
• Amplia variedad de materiales con características de resistencia, durabilidad y funcionalidad.
• Gracias a sus fiables propiedades mecánicas, estas piezas a menudo pueden sustituir a los plásticos típicos utilizados en el moldeo por inyección.

• Las piezas tienen superficies porosas; estas pueden sellarse mediante varios métodos de postprocesamiento diferentes, como recubrimientos de cianoacrilato, ^{[ 21 ]} o mediante prensado isostático en caliente .

• Impresión 3D
• Fabricación de escritorio
• Fabricante digital
• Fabricación digital directa
• Fusión por haz de electrones
• Fab lab
• Fabricación por deposición de filamento fundido
• Fabricación instantánea , también conocida como fabricación directa o fabricación bajo demanda.
• Fabricación rápida
• Prototipado rápido
• Proyecto RepRap
• Sinterización por calor selectivo
• Fabricación sólida de forma libre
• Estereolitografía
• Constructor universal de Von Neumann

• DMLS: HISTORIA DE DESARROLLO Y ESTADO ACTUAL
• Sinterización selectiva por láser: el nacimiento de una industria.