Introducere

Sinterizarea selectivă cu laser (SLS = Selective laser sintering) este o tehnică de fabricație aditivă 3D bazată pe laser care construiește obiecte strat cu strat din pulberi folosind tehnologia de proiectare asistată de computer (CAD = computer-aided design). Tehnica SLS este într-o oarecare măsură similară cu alte procese de fabricare cu laser, cum ar fi modelarea rețelelor proiectate cu laser (LENS = laser engineered net shaping) (Griffith și colab. 2000; Keicher și colab. 1997), depunerea directă a metalului (DMD = direct metal deposition) (Dinda și colab. 2009), depunerea metalelor cu laser (LMD = laser metal deposition) (Gasser et al. 2010), etc. Toate aceste tehnici încorporează caracteristici din stereolitografie și ingineria suprafeței cu laser, folosind un model CAD pentru a controla procesul secvențial de formare în straturi subțiri. Dar spre deosebire de LENS, DMD și LMD, unde pulberile sunt livrate într-un flux de gaz în focarul unui fascicul laser de mare putere pentru a crea o baie topită, diferența principală în tehnica SLS este că pulberile sunt răspândite de pe patul de alimentare pe patul piesei folosind o rolă. După solidificarea topiturii, se formează un strat solid subțire și se topește cu stratul sinterizat anterior. Prin repetarea procesului, se poate realiza o structură densă aproape completă. Schema tehnicii SLS este prezentată în Fig. 20.

Când fasciculul laser lovește suprafața pulberii, așa cum se arată în Fig. 21, interacțiunea laser-pulbere poate fi descrisă prin următorii pași: (i) absorbția fotonilor care duc la creșterea temperaturii, (ii) transferul de masă sau difuzia determină stricțiunea între particule și creșterea granulelor și în final (iii) densificarea obiectelor sinterizate.

Deoarece energia luminoasă suplimentară este absorbită de pulberea sinterizată și temperatura crește dincolo de punctul de topire, materialul sub formă de pulbere suferă atunci topire parțială sau completă. Particulele din jur sunt târâte în baia de topire pentru a scădea tensiunea superficială, adică reducerea energiei de suprafață. Pe măsură ce fasciculul laser de scanare se îndreaptă spre patul de pulbere vecin, baia de topire se răcește în cele din urmă și începe să se solidifice, formând granule pe suprafața retopită a stratului anterior (Das 2003). Densificarea se realizează pe măsură ce porii sunt umpluți cu material topit. Studiile au demonstrat că SLS poate procesa materiale de înaltă performanță, înaltă temperatură, cum ar fi aliajele pe bază de Ni sau Ti, în piese funcționale. Un alt avantaj al SLS este capacitatea sa de a fabrica obiecte de formă complexă cu o post-procesare minimă, conducând la o reducere semnificativă a costurilor de producție și materiale.

Mecanism de sinterizare cu laser

Sinterizarea este o metodă de fabricare a structurilor de înaltă densitate din materiale pulbere. Sinterizarea cu laser are loc prin încălzire localizată indusă de laser, deoarece pulberea absoarbe energia luminii. Ulterior, căldura se transferă către patul de pulbere prin conducție și către atmosfera înconjurătoare prin convecție/radiere. Există trei arhitecturi principale care sunt utilizate în mod obișnuit pentru sinterizarea cu laser: (i) sinterizarea în stare solidă, (ii) topirea și (iii) sinterizarea în fază lichidă. Sinterizarea în stare solidă și topirea se aplică de obicei pentru un sistem cu o singură componentă, deși sunt uneori aplicabile și la sistemele multicomponente. Pentru sinterizarea în fază lichidă, sunt adesea implicate două sau mai multe componente.

Deși timpul dwell al fasciculului laser pe particule individuale este scurt, care este de obicei de câteva milisecunde, topirea completă a particulei poate avea loc uneori dacă temperatura depășește punctul de topire al materialului. Parametrii laserului și condițiile substratului trebuie controlate cu atenție pentru a preveni sferoidizarea particulelor sau, uneori, numită aglomerare (balling), un fenomen în care pulberile topite se aglomerează rapid și se consolidează într-o sferă cu diametru aproximativ egal cu dimensiunea fasciculului laser. Balling-ul este cauzat de umezirea slabă a topiturii pe un substrat oxidat și poate fi explicat prin energia interfacială de suprafață implicată. Pentru a preveni oxidarea rapidă, procesul de sinterizare trebuie efectuat în vid sau atmosferă de gaz inert. O altă abordare pentru a rezolva problema balling-ului este utilizarea unui sistem în două faze. Patul de pulbere constă acum din cel puțin două pulberi diferite cu puncte de topire semnificativ diferite. Componenta cu punct de topire înalt formează partea structurală, iar componenta cu punct de topire scăzut acționează ca interfață de legare. Energia laserului ar trebui să fie suficient de mare pentru a crește temperatura de procesare suficient pentru a face materialul de liant să se topească și să curgă prin forță gravitațională și/sau acțiune capilară pentru a umple golurile dintre particulele solide.

Aplicații

Sinterizarea selectivă cu laser este o tehnică puternică și versatilă, deoarece o varietate de materiale pot fi preparate folosind această metodă. Este deosebit de potrivită pentru fabricarea de piese tridimensionale destinate aplicațiilor aerospațiale, auto și medicale. De exemplu, producătorul de avioane European Aeronautic Defence and Space (EADS) utilizează în mod obișnuit tehnici de fabricație aditivă pentru a fabrica piese de aeronave ușoare și fiabile. După cum se arată în Fig. 22, prin designul inovator împreună cu tehnica SLS, există o economie de 65% în greutate pentru balamalele ușii capacului motorului de pe Airbus A380 în comparație cu modelul de turnare convențional, care economisește o cantitate semnificativă de combustibil și, prin urmare, se poate aștepta o reducere a costurilor pe durata de funcționare. SLS este, de asemenea, un proces eficient din punct de vedere al materialelor, deoarece există pierderi minime de materiale.

O altă aplicație este pentru industria auto. După cum se arată în Fig. 23, o galerie de admisie a aerului a fost produsă folosind un nou compozit cvasicristal-polimer. Avantajele utilizării acestui material în procesul SLS includ porozitatea scăzută și etanșarea directă, fără post-impregnare a rășinii. În comparație cu alte compozite precum polistirenul sau poliamida umplute cu fibre de carbon, particule de sticlă sau fibre de sticlă utilizate în tehnologia SLS, se constată că frecarea este redusă și rezistența la uzură este îmbunătățită.