Перспективные материалы для SLS-печати

Процессы аддитивного производства были разработаны за последние 10-15 лет, чтобы сократить время разработки продукта [1]. Все методы основаны на принципе создания трехмерных компонентов непосредственно с использованием автоматизированного проектирования (САПР), производящего послойную технику без использования форм или инструментов, которые используются в обычных производственных процессах [2-4]. Сегодня существует множество технологий изготовления слоев, особенно для методов прототипирования металлов SLS, технологии струйной 3D-печати (3DP), селективного лазерного плавления (SLM) и т.д. [5]. Лазерное спекание, что означает методы, которые помогают в производстве твердых деталей путем отверждения порошкообразных материалов слой за слоем, подвергая поверхность порошкового слоя воздействию лазера или другого высокоэнергетического луча. Процесс лазерного спекания характеризуется чрезвычайно быстрым спеканием и затвердеванием. Область интереса в этой статье касается SLS. Технология SLS имеет большой потенциал в будущем для быстрого изготовления металлических компонентов, которые можно использовать в различных приложениях. В машинах SLS, таких как прямое лазерное спекание металлов (DMLS), используются однокомпонентные металлические порошки. Порошки обычно производятся мето- дом шаровой мельницы и другими методами, такими как псевдоожиженный слой, лезвия, щетки и т.д. Процесс SLS был первоначально разработан в Техасском университете в Остине, а затем коммерциализирован корпорацией DTM (США) [5].

Немецкая компания EOS, занимающаяся 3D-печатью полимеров и металлов, является, пожалуй, крупнейшим специалистом по SLS на рынке. В 2016 году компания заявила, что по всему миру установлено около 3000 устройств, 51% из которых – системы SLS.

На протяжении всей своей 30-летней истории EOS смогла развить SLS до уровня зрелой технологии, подходящей для различных приложений, как в прототипировании, так и в производстве.

Одной из вех на этом пути стал запуск FORMIGA P 100 в 2006 году. Эта система установила стандарты качества промышленной 3D-печати в секторе пластмасс спустя много лет после своего появления.

В 2012 году EOS выпустила преемницу FORMIGA 100, FORMIGA P 110, которая была названа лучшей машиной для лазерного спекания в обзоре Printer Guide 2018, проведенном 3D Hubs. Имея общий размер сборки 200 × 250 × 330 мм, P 110 позволял более экономично печатать в небольших объемах и использовался для сборки прототипов среднего размера и деталей с очень сложной геометрией.

В 2018 году P 110 был усовершенствован до FORMIGA 110 Velocis. Он отличается улучшенной ускоренной системой нагрева и процессом повторного нанесения покрытия, а также использует программное управление для предварительного нагрева полимерных материалов с помощью 30-ваттного лазерного луча с более высокой скоростью.

Теперь, благодаря дополнительным техническим усовершенствованиям и некоторой доработке, Velocis обеспечивает повышение производительности до 20% и лучшее распределение температуры в зоне сборки, что приводит к более однородному качеству деталей. В то время как наиболее часто используемым материалом в SLS остается нейлон, EOS также хотела обеспечить возможность обработки более совершенных материалов, таких как PEEK, для печати которых обычно требуются высокие температуры.

В результате в 2008 году была представлена первая высокотемпературная платформа SLS, EOSINT P 800. Она способна обрабатывать полимеры при температуре около 385 °C, что расширило технологию SLS до нового диапазона термопластов, а именно PEEK.

10 лет спустя EOS добавила EOS P 810 в линейку высокотемпературных 3D-принтеров. Утверждается, что новая система является первой в мире системой высокотемпературного лазерного спекания, оптимизированной для материала PEKK, армированного углеродным волокном [6].

Усовершенствования и инновации EOS в области технологии SLS продолжаются. Например, в этом году на выставке Formnext компания EOS продемонстрировала свою технологию 3D-печати на основе полимеров с высоким разрешением (FDR). В новом процессе используется углекислотный лазер для 3D-печати тонких, но прочных полимерных компонентов с поверхностями с мелким разрешением и минимальной толщиной стенки 0,22 мм.

EOS утверждает, что является первым производителем, разработавшим CO-лазер для промышленной 3D-печати на основе порошка. В большинстве современных ап- паратов SLS используется один или несколько CO₂-лазеров.

Тип CO-лазера создает сверхтонкий лазерный луч, диаметр фокуса которого, как сообщается, вдвое меньше, чем у современных технологий SLS. Одним из важных следствий этой дополнительной точности являются новые параметры экспонирования, которые могут привести к получению деталей с очень тонкой поверхностью.

Новая технология может быть использована для 3D-печати блоков фильтров и каналов для жидкости, заглушек и других электронных компонентов, а также потребительских товаров, таких как очки.

В то время как технология FDR ориентирована на деликатные компоненты, другое решение от EOS, технология LaserProFusion, которое еще предстоит коммерциализировать, предназначено для максимальной производительности.

EOS собирается оснастить систему LaserProFusion до 1 миллиона диодных лазеров, способных производить более 5 киловатт накопленной лазерной мощности. Эта технология в первую очередь предназначена для удовлетворения требований серийного производства, и EOS заявляет, что ее можно использовать в качестве альтернативы литью под давлением во многих областях [7].

Еще одна компания, стремящаяся совершить революцию в технологии SLS, – Farsoon. Чтобы сделать SLS еще быстрее и точнее, Farsoon использует мощность волоконного лазера в своей новой технологии полета.

В то время как современные машины SLS используют CO₂-лазеры, китайский производитель 3D-принтеров заменил стандартный CO₂-лазер волоконным лазером.

Система волоконного лазера способна подавать больше энергии на слой порошка и улучшать распределение энергии по материалу. Это связано с тем, что луч волоконного лазера обеспечивает меньший размер лазерного пятна. Это приводит к более высокой удельной мощности, что позволяет спекать порошок за более короткое время [8].

В дополнение к волоконному лазеру компания Farsoon, также разработала новую систему сканирования, обеспечивающую скорость сканирования более 20 м/с. Это примерно в 4 раза больше, чем у сопоставимых технологий. Кроме того, дополнительная мощность лазера позволяет детализировать детали размером до 0,3 мм.

FlightTechnology, разработанная для содействия внедрению SLS 3D-печати в крупносерийном производстве, безусловно, является шагом вперед в этом направлении.

В то время как EOS и другие известные игроки SLS в основном сосредоточены на линейных инновациях, бельгийский стартап Aerosint применил радикальный подход к разработке системы SLS, которая сможет печатать двумя разными порошками. Это позволит машине использовать один из порошков в качестве недорогого вспомогательного материала.

Обычно нерасплавленный порошок-подложка в машине SLS представляет собой тот же материал, который используется для печати детали, и он, как правило, стоит дорого. Конечно, это не было бы проблемой, если бы порошок можно было использовать повторно на 100%, что в настоящее время невозможно [9].

Одна из причин заключается в том, что в процессе SLS полимеры подвергаются воздействию высокой температуры в течение длительного периода времени, что приводит к химическим изменениям, которые делают их характеристики спекания гораздо менее предсказуемыми. В настоящее время единственным способом решить эту проблему является смешивание «использованного, но нерасплавленного» порошка примерно на 50 процентов с первичным порошком для повторного использования.

По оценке одного поставщика услуг, из 500 кг порошка, который он покупает в месяц, «25% становятся запчастями, 25% – отходами, а 50% повторно используются для обновления следующей сборки».

Внедрение машины, которая может использовать дешевый вспомогательный материал и второй материал для печати деталей, может сэкономить значительную сумму денег для тех, кто использует процессы SLS.

Технология Aerosint, SelectivePowderDeposition, позволяет добиться этого за счет выборочного нанесения порошкового материала с вращающегося барабана, который проходит над участком сборки. Один барабан наносит один материал, поэтому для нанесения нескольких порошков используются как минимум два барабана [10].

В 2014 году на рынке SLS появилось новое поколение компаний, воспользовавшихся истечением срока действия первоначального патента на SLS и стремящихся сделать технологию более доступной.

Этот сдвиг привел к появлению настольных 3D-принтеров SLS, не настолько маленьких, чтобы их можно было назвать «настольными», но достаточно компактных, чтобы поместиться на верстаке в магазине. Появление настольных 3D-принтеров открыло эту технологию для потребителей и малого бизнеса, у которых может не быть денег или места для промышленной системы SLS.

Такие стартапы, как Sinterit, Sharebot, Sintratec и, совсем недавно, Formlabs, вступили в гонку за компактную SLS-3D-печать.

Sharebot была первой компанией, выпустившей на рынок настольную SLS-машину с SnowWhite, которая впервые начала поставляться клиентам в 2016 году. В отличие от систем от Sintratec и Sinterit, оснащенных диодными лазерами, SnowWhite оснащен более мощным лазером CO2, который Обычно устанавливается на профессиональные машины высокого класса.

Лазер и небольшой рабочий объем 100 x 100 x 100 мм, который позволяет печатать с использованием всего лишь 300 г порошка, делают систему SnowWhite особенно подходящей для разработки материалов.

Еще одним крупным игроком в этой области является польская компания Sinterit со своей системой SinteritLisa, которая остается лидером в этом растущем сегменте рынка. SinteritLisa стоимостью от 6 990

евро имеет объем сборки 150 x 200 x 150 мм и минимальное разрешение слоя 0,075 микрона, что делает его подходящим для малых предприятий, которые хотят познакомиться с технологией SLS без необходимости вкладывать слишком много капитала в громоздкое оборудование.

В прошлом году компания также представила SinteritLisaPro, новейший настольный 3D-принтер SLS [11].

Потенциально важной инновацией в этом сегменте может стать Fuse 1, 3D-принтер SLS, который был анонсирован лидером настольной стереолитографи-иFormlabs в 2017 году. Благодаря объему печати 165 x 165 x 320 мм и волоконному лазеру система стоит около 10 000 долларов, а коммерческий выпуск намечен на середину 2020 года.

Поток более дешевых настольных 3D-принтеров FDM и SLA/DLP в начале 2010х годов вызвал сбои в отрасли, в то же время значительно способствуя росту отрасли AM. Доступный SLS только начинает этот путь и может пойти по тому же пути. В конечном итоге это расширит охват SLS для более широкого круга отраслей и пользователей.

В первых 3D-принтерах SLS чаще всего использовался нейлон, популярный инженерный термопластик, который славится своими легкими свойствами, прочностью и долговечностью. Нейлон, также известный как полиамид (ПА), устойчив к ударам, химическим веществам, теплу, ультрафиолетовому излучению, воде и грязи, что делает его идеальным как для быстрого прототипирования, так и для производства.

Сегодня нейлон по-прежнему остается самым популярным материалом SLS. Однако прогресс в технологиях и материалах для 3D-печати привел к появлению композитов на основе нейлона – материалов, смешанных с углеродным волокном, стекловолокном и алюминием, чтобы еще больше улучшить механические и термические свойства полиамида.

В дополнение к нейлону современные 3D-принтеры SLS также могут обрабатывать PEEK, PEKK, гибкие ТПУ, огнестойкие полимеры и антистатические полимеры. Возможность обработки высокоэффек- тивных материалов тесно связана с технологическими инновациями. Как и в примере с EOS, компании сначала нужно было создать высокотемпературный 3D-принтер, прежде чем она сможет печатать такие материалы, как PEEK [12].

Обнадеживают и темпы разработки новых материалов для SLS.

Итальянская компания по 3D-печати CRP Technology, пожалуй, один из ключевых независимых разработчиков материалов SLS, известный своим брендом Windform. Компания предлагает ряд композитов на основе нейлона и резиноподобных пластиковых порошков.

Самыми последними дополнениями к линейке Windform стали Windform FR1 и Windform FR2 – огнестойкие композиты, подходящие для применения в самолетах (например, внутренние детали, компоненты кабины, воздуховоды и выпускные клапаны); транспортные детали (салоны автомобилей, корпуса и узлы ограждений) и товары народного потребления и электроники (освещение и бытовая техника).

Химическая компания DSM также недавно приступила к разработке материалов для SLS. В результате в прошлом году был выпущен порошок полибутилентерефтала-та (ПБТ). Интересно, что DSM указывает, что этот материал на самом деле является первым порошком PBT, коммерчески доступным для SLS 3D-печати. PBT – это термопластичный технический полимер, который применяется в электронной промышленности благодаря своим изолирующим свойствам.

Кроме того, Forward AM, дочерняя компания химического гиганта BASF, предлагает ряд материалов SLS под брендом Ultrasint. Огнеупорный материал UltrasintPolyamide PA6 Black FR является последним в этой линейке и может похвастаться высокой жесткостью и хорошей термостойкостью. По данным Forward AM, он уже используется для производства новых компонентов для транспортных средств, отвечающих требованиям противопожарной защиты транспортных средств.

И BASF, и DSM недавно приобрели 3D-принтеры SLS у французского производи- теля Prodways. Благодаря увеличению мощности SLS две химические компании смогут ускорить разработку передовых материалов для SLS 3D-печати.

Заключение. Рынок 3D-печати SLS находится в состоянии непрерывного развития. Технология демократизируется с появлением компактных и доступных по цене настольных систем. В то же время производители промышленного оборудования SLS уделяют больше внимания решениям, которые помогают использовать SLS в качестве производственного ин-

В результате объем проектов, реализуемых с помощью технологии SLS, неуклонно растет.

Доказательством этого является тот факт, что более 75% проектов 3D-печати использовали методы SLS в 2019 году, согласно отчету Sculpteo. Вывод здесь заключается в том, что SLS считается одним из лучших вариантов для полимерной 3D-печати. Мы верим, что это останется верным как в ближайшем, так и в отдаленном будущем.

струмента.