A sinterização a laser seletiva (SLS) é uma técnica de fabricação aditiva (FA) que usa um laser como fonte de energia e calor para sinterizar material em pó (geralmente nylon ou poliamida), apontando automaticamente o laser para pontos no espaço definidos por um modelo 3D, unindo o material para criar uma estrutura sólidaLekurwale, Srushti; Karanwad, Tukaram; Banerjee, Subham (2022-06-01). "Selective laser sintering (SLS) of 3D printlets using a 3D printer comprised of IR/red-diode laser". Annals of 3D Printed Medicine. 6: 100054. doi:10.1016/j.stlm.2022.100054. ISSN 2666-9641. S2CID 247040011Awad, Atheer; Fina, Fabrizio; Goyanes, Alvaro; Gaisford, Simon; Basit, Abdul W. (2021-07-01). "Advances in powder bed fusion 3D printing in drug delivery and healthcare". Advanced Drug Delivery Reviews. 174: 406–424. doi:10.1016/j.addr.2021.04.025. ISSN 0169-409X. PMID 33951489. S2CID 233869672Charoo, Naseem A.; Barakh Ali, Sogra F.; Mohamed, Eman M.; Kuttolamadom, Mathew A.; Ozkan, Tanil; Khan, Mansoor A.; Rahman, Ziyaur (2020-06-02). "Selective laser sintering 3D printing – an overview of the technology and pharmaceutical applications". Drug Development and Industrial Pharmacy. 46 (6): 869–877. doi:10.1080/03639045.2020.1764027. ISSN 0363-9045. PMID 32364418. S2CID 218490148.. É semelhante à fusão a laser seletiva; os dois são instâncias do mesmo conceito, mas diferem em detalhes técnicos. A SLS (bem como as outras técnicas de FA mencionadas) é uma tecnologia relativamente nova que até agora tem sido usada principalmente para prototipagem rápida e para produção de baixo volume de componentes. Os papéis de produção estão se expandindo à medida que a comercialização da tecnologia de FA melhora.
História
A sinterização a laser seletiva (SLS) foi desenvolvida e patenteada pelo Dr. Carl Deckard e pelo orientador acadêmico, Dr. Joe Beaman, na Universidade do Texas em Austin, no meio dos anos 1980, com financiamento da DARPA.Deckard, C., "Method and apparatus for producing parts by selective sintering", U.S. Patent 4,863,538, filed October 17, 1986, published September 5, 1989. Deckard e Beaman estiveram envolvidos na empresa inicial resultante, a Desk Top Manufacturing (DTM) Corp, estabelecida para projetar e construir as máquinas SLS. Em 2001, a 3D Systems, o maior concorrente da DTM Corp. e da tecnologia SLS, adquiriu a DTM Corp.Lou, Alex and Grosvenor, Carol "Selective Laser Sintering, Birth of an Industry", The University of Texas, December 07, 2012. Retrieved on March 22, 2013. A patente mais recente relacionada à tecnologia SLS de Deckard foi emitida em 28 de janeiro de 1997 e expirou em 28 de janeiro de 2014. US5597589 Um processo semelhante foi patenteado por R. F. Housholder em 1979, mas não foi comercializado. Housholder, R., "Molding Process", U.S. Patent 4,247,508, filed December 3, 1979, published January 27, 1981. Devido ao uso de lasers de alta potência, a SLS é frequentemente muito cara, além de potencialmente perigosa, para uso doméstico. O alto custo associado e o perigo potencial da impressão SLS devido à falta de sistemas a laser comercialmente disponíveis com invólucros de segurança Classe 1 significam que o mercado doméstico para a impressão SLS não é tão grande quanto o mercado de outras tecnologias de fabricação aditiva, como a Modelagem por Fusão de Filamento (FDM).
Tecnologia
A SLS é uma tecnologia de camada de fabricação aditiva que envolve o uso de um laser de alta potência (por exemplo, um laser de dióxido de carbono) para fundir pequenas partículas de plástico, metal, cerâmica ou pós de vidro em uma massa com uma forma tridimensional desejada. O laser funde seletivamente o material em pó, digitalizando as seções transversais geradas a partir de uma descrição digital 3D da peça (por exemplo, de um arquivo CAD ou dados de digitalização) na superfície de uma cama de pó. Após a digitalização de cada seção transversal, a cama de pó é abaixada em uma espessura de camada, uma nova camada de material é aplicada por cima e o processo é repetido até que a peça esteja completa."Design Guide: Selective Laser Sintering (SLS)" (PDF). Xometry.
Devido à densidade da peça acabada depender da potência máxima do laser, em vez da duração do laser, uma máquina SLS normalmente usa um laser pulsado. A máquina SLS pré-aquece o material em pó a granel na cama de pó um pouco abaixo do seu ponto de fusão, para facilitar o aumento da temperatura das regiões selecionadas até o ponto de fusão.Prasad K. D. V. Yarlagadda; S. Narayanan (February 2005). GCMM 2004: 1st International Conference on Manufacturing and Management. Alpha Science Int'l. pp. 73–. ISBN 978-81-7319-677-5. Retrieved 18 June 2011. Em contraste com a Estereolitografia (SLA) e a Modelagem por Fusão de Filamento (FDM), que geralmente exigem estruturas de suporte especiais para fabricar designs suspensos, a SLS não precisa de um alimentador separado para o material de suporte, pois a peça em construção é cercada por pó não sinterizado o tempo todo. Isso permite a construção de geometrias anteriormente impossíveis. Além disso, uma vez que a câmara da máquina está sempre cheia de material em pó, a fabricação de várias peças tem um impacto muito menor na dificuldade e no preço geral do design, graças a uma técnica conhecida como 'Nesting', onde várias peças podem ser posicionadas para se ajustar aos limites da máquina. Um aspeto do design que deve ser observado, no entanto, é que com a SLS é 'impossível' fabricar um elemento oco completamente fechado, pois o pó não sinterizado dentro do elemento não pode ser drenado. Uma vez que as patentes começaram a expirar, impressoras domésticas acessíveis se tornaram possíveis, mas o processo de aquecimento ainda é um obstáculo, com um consumo de energia de até 5 kW e temperaturas que precisam ser controladas dentro de 2 °C para as três etapas de pré-aquecimento, fusão e armazenamento antes da remoção.
Materiais
Um problema que limita o emprego da SLS para o fabrico aditivo num âmbito industrial alargado é a reduzida variedade de polímeros aplicáveis. Qual é a razão para esta seleção restrita de materiais? Para responder a estas perguntas e fornecer uma diretriz para a produção de materiais SLS bem-sucedidos, compreendendo a combinação de propriedades muito específica de propriedades, necessária para transferir um polímero normal para um pó SLS de sucesso, é crucial. As diferentes propriedades podem ser divididas em intrínsecas (térmicas, óticas) e extrínsecas (partículas e pós). As propriedades intrínsecas são tipicamente dadas na forma a estrutura molecular do próprio polímero e não pode ser influenciada facilmente, enquanto o processamento prévio controla as propriedades extrínsecas. Propriedades intrínsecas Num sistema SLS é utilizado um feixe de laser de CO2 para fundir seletivamente as partículas de polímero depositadas numa camada fina. É necessária uma coalescência local completa das partículas de polímero na camada superior de pó. Isto implica que a cristalização deve ser inibida durante o processamento o maior tempo possível, pelo menos para várias camadas sintetizadas. Assim, a temperatura de processamento deve ser controlada com precisão entre a fusão e a cristalização do polímero em causa. A região termodinâmica metaestável de fusão do polímero sub-arrefecido é designada por "janela de sinterização" do processamento SLS para um determinado polímero. Se a temperatura estiver demasiado próxima da cristalização a ondulação devido à cristalização prematura é induzida e as peças são distorcidas depois de se libertarem do leito de pó circundante enquanto se a temperatura for ligeiramente superior durante o processamento, pode evitar-se uma cristalização precoce, mas, neste caso, a temperatura está demasiado próxima da fusão e leva a uma perda da definição exata das características da peça. Propriedades extrínsecas A forma e a superfície das partículas individuais determinam em grande medida o comportamento do pó resultante. A quantidade de pequenas unidades é frequentemente responsável se um pó apresentar um comportamento de processamento SLS razoável ou não. Apenas uma combinação específica dos ativos indicados conduz ao sucesso de um material para a ser utilizado na tecnologia sls. Esta é uma das razões para o número reduzido de materiais disponíveis comercialmente até à data. No futuro, é necessário um alargamento significativo do mercado de pós poliméricos, em especial para os polímeros de olefinas (PP, PE), é necessário para impulsionar a tecnologia SLS.Schmid, Manfred, Amado, Antonio,Wegener, Konrad,(2015)Polymer powders for selective laser sintering (SLS)
Produção de pó
As partículas em pó são tipicamente produzidas por moagem criogênica em um moinho de bolas a temperaturas bem abaixo da temperatura de transição de vidro do material, o que pode ser alcançado executando o processo de moagem com adição de materiais criogênicos, como gelo seco (moagem a seco), ou misturas de nitrogênio líquido e solventes orgânicos (moagem a úmido). Schmidt, Jochen; Plata, Miguel; Tröger, Sulay; Peukert, Wolfgang (September 2012). "Production of polymer particles below 5μm by wet grinding". Powder Technology. 228: 84–90. doi:10.1016/j.powtec.2012.04.064. ISSN 0032-5910. O processo pode resultar em partículas de forma esférica ou irregular com diâmetro de até cinco micrômetros. As distribuições de tamanho das partículas em pó são tipicamente gaussianas e variam de 15 a 100 micrômetros de diâmetro, embora isso possa ser personalizado para se adequar a diferentes espessuras de camada no processo de SLS.Yang, Qiuping; Li, Huizhi; Zhai, Yubo; Li, Xiaofeng; Zhang, Peizhi (2018-08-13). "The synthesis of epoxy resin coated Al2O3 composites for selective laser sintering 3D printing". Rapid Prototyping Journal. 24 (6): 1059–1066. doi:10.1108/rpj-09-2017-0189. ISSN 1355-2546. S2CID 139324761. Revestimentos de ligantes químicos podem ser aplicados às superfícies das partículas após o processo Kruth, J‐P.; Mercelis, P.; Van Vaerenbergh, J.; Froyen, L.; Rombouts, M. (February 2005). "Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting". Rapid Prototyping Journal. 11 (1): 26–36. doi:10.1108/13552540510573365. ISSN 1355-2546.; esses revestimentos auxiliam no processo de sinterização e são especialmente úteis para formar peças de material composto, como partículas de alumina revestidas com resina epóxi termoendurecível.
Espalhamento do pó
O espalhamento do pó é uma etapa crítica no processo de Sinterização Seletiva a Laser (SLS), que desempenha um papel fundamental na qualidade do leito de pó e, por conseguinte, na qualidade das peças produzidas. A utilização de métodos empíricos ou tentativa e erro é desaconselhável, dado o consumo significativo de mão de obra e matéria-prima. A qualidade da disposição do pó é avaliada com base em critérios como densidade, uniformidade e planicidade da camada de pó na área de formação.
O objetivo central é garantir a preparação de uma impressão com um leito de pó plano, uniforme e de alta densidade, para garantir um desempenho satisfatório. A precisão dimensional e as propriedades mecânicas das peças sinterizadas são diretamente afetadas pela qualidade da disposição do pó, que está intimamente relacionada às características do fluxo do pó e aos parâmetros do processo de espalhamento do pó. A fluidez do pó é uma propriedade fundamental para alcançar uma distribuição uniforme das camadas, contudo depende de vários fatores, como a distribuição do tamanho, forma, as forças de interação entre as partículas e a temperatura.