Che cos’è la stampa 3D SLS? Guida alla sinterizzazione laser selettiva

La stampa SLS in un paragrafo

La sinterizzazione laser selettiva è un processo di fusione a letto di polvere. Una macchina stende un sottile strato di polvere polimerica, un laser vi fonde la sezione del pezzo e il ciclo si ripete fino al completamento. La polvere non fusa resta al suo posto e sostiene il pezzo, quindi non occorre progettare, stampare o rimuovere strutture di supporto. Il risultato è un pezzo termoplastico pieno, quasi sempre in poliammide 12 (PA 12, nylon 12), utilizzabile come prototipo funzionale o come componente per uso finale.

Come funziona la sinterizzazione laser selettiva

1. Preparazione e nesting

I modelli 3D di tutti i pezzi di un job vengono disposti in tre dimensioni all’interno del volume di costruzione. È il cosiddetto nesting. Poiché i pezzi si possono impilare l’uno sull’altro, un job contiene di solito molti pezzi diversi provenienti da più ordini. La densità di riempimento di un job incide direttamente sul costo per pezzo.

2. Riscaldamento

La camera di costruzione e la polvere vengono portate a una temperatura appena inferiore al punto di fusione del polimero. Al laser basta così una piccola quantità di energia per fondere la polvere, il che riduce le tensioni termiche e le deformazioni.

3. Sinterizzazione strato per strato

Una racla stende uno strato di polvere, di norma spesso circa 0,1 mm. Un laser a CO₂, guidato da specchi di scansione, traccia in quello strato la sezione di ogni pezzo. La piattaforma si abbassa di uno strato e viene applicato lo strato di polvere successivo. Un job completo dura molte ore, senza operatore.

4. Raffreddamento

Il blocco di polvere con i pezzi all’interno, spesso chiamato «cake», deve raffreddarsi lentamente e in modo uniforme prima di essere aperto. Il raffreddamento può durare quanto la costruzione stessa. Aprire il blocco troppo presto provoca deformazioni ed errori dimensionali: è uno dei motivi per cui i tempi di consegna della SLS non si possono comprimere all’infinito.

5. Estrazione e finitura

I pezzi vengono estratti dal blocco e la polvere sciolta viene recuperata; una parte viene miscelata con polvere nuova e riutilizzata. I pezzi vengono poi sabbiati per rimuovere la polvere che aderisce alla superficie. Tra le fasi facoltative vi sono la finitura superficiale, la tintura e altri trattamenti.

Materiali

Il materiale SLS standard è il PA 12. Sinterizza in modo affidabile, assorbe poca umidità per essere una poliammide e offre una combinazione equilibrata di rigidità, resistenza e duttilità. Esistono altre polveri: PA 11 per una maggiore duttilità, PA 12 caricato vetro o alluminio per una maggiore rigidità e TPU per pezzi flessibili. Ognuna richiede parametri macchina propri, e molti fornitori di servizi ne lavorano solo una o due.

SLS Market stampa esclusivamente Nylon PA 12 bianco. La guida al nylon PA12 descrive il materiale e i suoi limiti.

Precisione e superficie

La tolleranza generale indicata di norma per la SLS in PA 12 è ±0,3 %, con un limite inferiore di ±0,3 mm. Per una quota di 100 mm ci si può quindi attendere uno scostamento entro circa ±0,3 mm, per una quota di 200 mm entro circa ±0,6 mm. Il ritiro durante il raffreddamento è la principale causa di scostamento e dipende dalla geometria, dallo spessore di parete e dalla posizione del pezzo nel job. Le ampie zone piane sono le più soggette a deformazione.

La superficie è opaca e leggermente granulosa, perché le particelle di polvere aderiscono al contorno fuso di ogni strato. Le linee di strato sono molto meno visibili che nei pezzi stampati a filamento. La sabbiatura uniforma la superficie; ulteriori fasi di finitura la rendono più liscia al tatto. Un pezzo SLS non ha la lucentezza di un pezzo stampato a iniezione, salvo trattamenti aggiuntivi.

Le proprietà meccaniche sono quasi isotrope. La resistenza nella direzione di costruzione è leggermente inferiore a quella all’interno dello strato, ma la differenza è piccola rispetto alla stampa a filamento.

Regole di progettazione tipiche

Si tratta di linee guida comuni nel settore per il PA 12 sinterizzato al laser. I limiti esatti dipendono dalla macchina, dai parametri e dalla geometria.

Non essendoci supporti, elementi che altrove costano cari nella SLS non comportano costi aggiuntivi: sottosquadri, canali interni, strutture reticolari, cerniere integrate e più funzioni riunite in un unico pezzo.

Che cosa determina il costo di un pezzo SLS

La SLS non ha costi di attrezzaggio, quindi il prezzo di un pezzo dipende da quanta parte di un job occupa.

• Volume del pezzo. La quantità di materiale sinterizzato.
• Ingombro e riempimento. Una forma voluminosa e cava occupa spazio di costruzione che non può essere usato per altri pezzi. Le forme che si dispongono bene nel nesting costano meno.
• Altezza nel job. Il tempo di costruzione cresce con il numero di strati.
• Quantità. Il lavoro fisso di gestione dell’ordine si ripartisce su più pezzi, e un job pieno è più economico di uno poco riempito.
• Finitura. La sabbiatura è standard; la tintura e le finiture superficiali aggiuntive comportano ulteriori fasi.

Ne derivano due conseguenze pratiche. Svuotare un pezzo spesso e aggiungere fori di scarico riduce al tempo stesso materiale e deformazioni. E il prezzo unitario di 50 pezzi è di solito ben inferiore a quello di 5, anche se non c’è alcuno stampo.

La SLS a confronto con altri processi

Quando utilizzare la SLS

La SLS è indicata quando il pezzo deve funzionare, non solo avere un bell’aspetto. Applicazioni tipiche:

• prototipi funzionali da provare sotto carico;
• custodie, coperchi e staffe per macchine e apparecchi;
• dime, attrezzature e dita di presa per linee di produzione;
• condotti, collettori e pezzi con canali interni;
• piccole serie e ricambi per i quali uno stampo non si ripaga.

Non è la scelta giusta per pezzi trasparenti, per pezzi che richiedono una superficie estetica lucida senza ulteriori trattamenti, per pezzi molto grandi che superano il volume di costruzione della macchina e per grandi volumi di una geometria semplice, dove lo stampaggio a iniezione costa meno al pezzo.

Che cosa chiedere a un servizio di stampa SLS

• Quale macchina e quale polvere verranno utilizzate? Esiste una scheda tecnica?
• Quale tolleranza generale si applica e come vengono gestite le quote critiche?
• Come vengono rifiniti i pezzi di serie e quali opzioni esistono?
• Il pezzo viene prodotto internamente o affidato a una rete di fornitori?

In SLS Market le risposte sono: una EOS FORMIGA P 110 Velocis con volume di costruzione di 200 x 250 x 330 mm, Nylon PA 12 bianco e sabbiatura in una DyeMansion Powershot DUAL, il tutto in Repubblica Ceca. I dettagli sono nella pagina del servizio di stampa 3D SLS; il nostro precedente articolo sulla stampa SLS in SLS Market descrive le attrezzature.