Wat is SLS 3D-printen? Een gids voor selectief lasersinteren

SLS-printen in één alinea

Selectief lasersinteren is een poederbedfusieproces. Een machine brengt een dunne laag polymeerpoeder aan, een laser versmelt de doorsnede van het onderdeel in die laag en de cyclus herhaalt zich tot het onderdeel klaar is. Het niet-versmolten poeder blijft liggen en ondersteunt het onderdeel, zodat er geen ondersteuningsstructuren hoeven te worden ontworpen, geprint of verwijderd. Het resultaat is een massief thermoplastisch onderdeel, meestal van polyamide 12 (PA 12, nylon 12), dat kan dienen als functioneel prototype of als eindgebruiksonderdeel.

Hoe selectief lasersinteren werkt

1. Voorbereiding en nesten

De 3D-modellen van alle onderdelen in een job worden driedimensionaal in het bouwvolume geplaatst. Dat heet nesten. Omdat onderdelen boven elkaar kunnen worden gestapeld, bevat één bouwjob meestal veel verschillende onderdelen uit meerdere bestellingen. Hoe dicht een bouwjob is gevuld, heeft direct invloed op de kosten per onderdeel.

2. Verwarmen

De bouwkamer en het poeder worden verwarmd tot net onder het smeltpunt van het polymeer. De laser hoeft dan nog maar weinig energie toe te voegen om het poeder te versmelten, wat thermische spanningen en kromtrekken vermindert.

3. Laag voor laag sinteren

Een recoater brengt een laag poeder aan, doorgaans circa 0,1 mm dik. Een CO₂-laser, gestuurd door scanspiegels, tekent de doorsnede van elk onderdeel in die laag. Het platform zakt één laag en de volgende poederlaag wordt aangebracht. Een volledige bouwjob duurt vele uren, zonder operator.

4. Afkoelen

Het blok poeder met de onderdelen erin, vaak de ‘cake’ genoemd, moet langzaam en gelijkmatig afkoelen voordat het wordt geopend. Het afkoelen kan even lang duren als de bouw zelf. Wordt de cake te vroeg geopend, dan ontstaan kromtrekken en maatafwijkingen; dat is een van de redenen waarom de doorlooptijd van SLS niet onbeperkt kan worden verkort.

5. Uitpakken en afwerken

De onderdelen worden uit de cake gehaald en het losse poeder wordt teruggewonnen; een deel wordt gemengd met vers poeder en hergebruikt. Daarna worden de onderdelen gestraald om poeder te verwijderen dat aan het oppervlak hecht. Optionele stappen zijn onder meer oppervlakteafwerking, verven en andere behandelingen.

Materialen

Het standaardmateriaal voor SLS is PA 12. Het sintert betrouwbaar, neemt voor een polyamide weinig vocht op en biedt een evenwichtige combinatie van stijfheid, sterkte en ductiliteit. Er bestaan andere poeders: PA 11 voor meer ductiliteit, glas- of aluminiumgevuld PA 12 voor meer stijfheid en TPU voor flexibele onderdelen. Elk poeder vraagt eigen machineparameters, en veel dienstverleners werken er maar met één of twee.

SLS Market print uitsluitend wit Nylon PA 12. De gids PA12-nylon beschrijft het materiaal en zijn grenzen.

Nauwkeurigheid en oppervlak

De algemene tolerantie die voor SLS PA 12 doorgaans wordt opgegeven, is ±0,3 %, met een ondergrens van ±0,3 mm. Een maat van 100 mm mag u dus verwachten binnen circa ±0,3 mm, een maat van 200 mm binnen circa ±0,6 mm. Krimp tijdens het afkoelen is de belangrijkste bron van afwijkingen en hangt af van de geometrie, de wanddikte en de positie van het onderdeel in de bouwjob. Grote vlakke delen trekken het snelst krom.

Het oppervlak is mat en licht korrelig, omdat poederdeeltjes aan de gesmolten contour van elke laag hechten. Laaglijnen zijn veel minder zichtbaar dan bij filamentgeprinte onderdelen. Stralen egaliseert het oppervlak; verdere afwerkingsstappen maken het gladder om aan te raken. Een SLS-onderdeel heeft niet de glans van een spuitgietonderdeel, tenzij het aanvullend wordt behandeld.

De mechanische eigenschappen zijn vrijwel isotroop. De sterkte in de bouwrichting is iets lager dan binnen een laag, maar het verschil is klein vergeleken met filamentprinten.

Gangbare ontwerpregels

Dit zijn gebruikelijke richtlijnen uit de industrie voor lasergesinterd PA 12. De exacte grenzen hangen af van de machine, de parameters en de geometrie.

Omdat er geen ondersteuning is, kosten vormen die elders duur zijn bij SLS niets extra: ondersnijdingen, interne kanalen, roosterstructuren, geïntegreerde scharnieren en meerdere functies in één onderdeel.

Wat de kosten van een SLS-onderdeel bepaalt

SLS kent geen gereedschapskosten; de prijs van een onderdeel wordt dus bepaald door het deel van een bouwjob dat het in beslag neemt.

• Volume van het onderdeel. De hoeveelheid gesinterd materiaal.
• Bounding box en vulling. Een volumineuze, holle vorm neemt bouwruimte in die niet voor andere onderdelen kan worden gebruikt. Vormen die goed te nesten zijn, zijn goedkoper.
• Hoogte in de bouwjob. De bouwtijd neemt toe met het aantal lagen.
• Aantal. De vaste handelingen per bestelling worden over meer onderdelen verdeeld, en een volle bouwjob is economischer dan een halflege.
• Afwerking. Stralen is standaard; verven en extra oppervlakteafwerking voegen stappen toe.

Daaruit volgen twee praktische gevolgen. Een dik onderdeel hol maken en afvoergaten toevoegen vermindert tegelijk materiaal en vervorming. En de stukprijs van 50 onderdelen ligt meestal ruim onder de stukprijs van 5, ook al komt er geen matrijs aan te pas.

SLS vergeleken met andere processen

Wanneer u SLS toepast

SLS past goed wanneer het onderdeel moet werken, en er niet alleen goed uit moet zien. Typische toepassingen:

• functionele prototypes die onder belasting worden getest;
• behuizingen, kappen en beugels voor machines en apparaten;
• mallen, opspanmiddelen en grijpervingers voor productielijnen;
• kanalen, verdeelstukken en onderdelen met interne kanalen;
• kleine series en reserveonderdelen waarvoor een matrijs zich niet terugverdient.

Het is de verkeerde keuze voor transparante onderdelen, voor onderdelen die zonder verdere behandeling een glanzend zichtoppervlak moeten hebben, voor zeer grote onderdelen die het bouwvolume van de machine overschrijden en voor grote volumes van een eenvoudige geometrie, waarbij spuitgieten per stuk goedkoper is.

Wat u een SLS-printservice moet vragen

• Welke machine en welk poeder worden gebruikt, en is er een datasheet?
• Welke algemene tolerantie geldt en hoe wordt met kritische maten omgegaan?
• Hoe worden onderdelen standaard afgewerkt, en welke opties zijn er?
• Wordt het onderdeel in eigen huis gemaakt of doorgezet naar een netwerk van toeleveranciers?

Bij SLS Market luiden de antwoorden: een EOS FORMIGA P 110 Velocis met een bouwvolume van 200 x 250 x 330 mm, wit Nylon PA 12 en stralen in een DyeMansion Powershot DUAL, allemaal in Tsjechië. Details staan op de pagina SLS 3D-printservice; ons eerdere artikel over SLS-printen bij SLS Market beschrijft de apparatuur.