Stampa 3D per sinterizzazione laser selettiva (SLS): Presentazione della tecnologia

Questo articolo riassume tutto ciò che è necessario conoscere sulla stampa 3D SLS: il funzionamento del processo di sinterizzazione laser selettiva, quali materiali sono compatibili, i vantaggi e i limiti del SLS come tecnologia di stampa 3D.

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è una tecnologia di produzione additiva che offre molteplici vantaggi rispetto alle tecniche di produzione tradizionali, come la capacità di creare facilmente forme complesse, ridurre gli scarti e avere tempi di produzione più rapidi. Questa tecnologia ha trovato applicazioni in settori come quello aerospaziale, automotive e medicale, dove la precisione e la personalizzazione sono essenziali.

Che cos’è la stampa 3D SLS?

La sinterizzazione laser selettiva appartiene alla categoria della fusione a letto in polvere (PBF). Questa tecnica prevede un laser ad alta potenza per sinterizzare piccole particelle di polvere polimerica in un prodotto basato su un modello CAD 3D. L’elevata risoluzione, l’alta produttività e la facile disponibilità dei materiali rendono la tecnologia SLS ideale per una vasta gamma di applicazioni, dalla prototipazione rapida alle parti finali con geometrie complesse.

Come funziona la stampa 3D SLS ?

Il processo di sinterizzazione laser selettiva prevede la fusione di strati di polvere materiale (in genere con uno spessore di circa 0,1 mm), distribuiti uniformemente sull’area di stampa mediante un rullo livellatore controrotante. Il processo di stampa della parte avviene all’interno di una camera chiusa riempita di azoto (o qualsiasi gas inerte) al fine di ridurre al minimo l’ossidazione e il degrado della polvere.

Passo 1 – Preriscaldo della polvere

La polvere nella base di stampa viene preriscaldata e mantenuta appena al di sotto del punto di fusione e/o della temperatura di transizione vetrosa del materiale in polvere con l’aiuto di riscaldanti a infrarossi presenti sopra il letto di stampa.

Passo 2 – Stampa 3D SLS delle parti ad alta temperatura

  • Non appena il sottile strato di polvere viene formato e preriscaldato, un raggio laser di CO2 concentrato viene diretto sul letto di polvere e mosso mediante galvanometri in modo da fondere termicamente il materiale formando la sezione trasversale strato per strato a seconda del disegno CAD. Lo spessore di uno strato viene selezionato nel software di slicing.
  • La polvere circostante rimane sciolta e supporta gli strati successivi, eliminando la necessità delle strutture di supporto.
  • Dopo che uno strato è stato completato, il letto di stampa viene abbassato a seconda dello spessore del layer (slicing) e un nuovo strato di polvere viene depositato e livellato utilizzando il rullo controrotante.
  • Il raggio laser di CO2 scansiona la successiva sezione trasversale dello strato. Questo processo continua fino a quando l’intera parte è completata.

Passo 3 –Raffreddamento e post-elaborazione delle parti 3D in SLS

Per ultima cosa, le parti completate vengono rimosse dal letto di polvere e la polvere residua viene rimossa. Ulteriori operazioni di finitura vengono effettuate, se necessario (tintura, colorazione, sabbiatura, finitura alimentare).

Materiali per la stampa 3D SLS

La tecnologia di sinterizzazione laser selettiva può utilizzare un’ampia gamma di polveri termoplastiche. Quelle più comunemente usate per l’SLS includono il poliammide (Nylon), il polipropilene ed elastomeri termoplastici (TPE). I materiali SLS possono essere classificati in due principali famiglie:

  • Materiali rigidi: PA 12 (normale, caricato al vetro, ignifugo, ad uso alimentare, caricato all’alluminio), PA 11 (normale, ad uso alimentare) e polipropilene (PP)
  • Materiali flessibili: Flex TPU

Il Nylon PA12 è uno dei materiali di stampa 3D più diffusi. Questo materiale plastico ha buone proprietà meccaniche come tenacità, resistenza alla trazione e resistenza agli urti, che lo rendono un materiale di riferimento per la tecnologia SLS.

SLS Flex TPU

SLS Nylon PA 12 media burattato

SLS Alumide® / Nylon 12 (PA 12) caricato con alluminio

SLS Nylon 12 ritardante di fiamma / PA 2241 FR

Vantaggi della tecnologia SLS nella stampa 3D

L’SLS è uno dei metodi di stampa più affidabili, precisi e veloci per la prototipazione, la produzione di piccoli lotti e anche per applicazioni a livello industriale. La tecnologia selettiva di sinterizzazione laser ha una serie di vantaggi che la rendono unica.

Le stampe SLS non richiedono strutture di supporto

Siccome la tecnologia di stampa per la sinterizzazione laser selettiva si realizza mediante la fusione di polvere su un letto di stampa, i suoi disegni non necessitano di strutture di sostegno. Durante la stampa, tutti gli spazi vuoti vengono riempiti con la polvere non utilizzata, rendendo le stampe SLS autoportanti. 

In questo modo, i progetti con spazi vuoti, sporgenze e strutture molto sottili che solitamente richiedono supporti non sono più un problema di stampa nell’ SLS, offrendo così ai progettisti un ampio margine di libertà progettuale.

Parti con componenti interni complesse, cavità, possono essere stampate senza compromettere il design in quanto non ci sono problemi di strutture di sostegno. L’ SLS può essere la soluzione migliore per la stampa di modelli complessi che altrimenti verrebbero realizzati in più parti, cosa che generalmente è un problema quando si utilizzano tecnologie alternative come l’FDM.

SLS part with an overhang
Parte in SLS con layer a sbalzo che non necessita di strutture di sostegno

L’SLS è una tecnologia di stampa 3D veloce

L’ SLS è una delle tecnologie di stampa 3D più veloci in quanto le polveri polimeriche utilizzate in questa tecnica richiedono solo pochissima esposizione al laser per essere sinterizzate. Infatti, la velocità va quantificata in base alla risoluzione di stampa. 

Ad esempio, una stampante FDM può anche stampare velocemente se è impostata per creare strati spessi compromettendo però la risoluzione. Con l’SLS, non esiste alcun compromesso sulla risoluzione con una velocità di stampa più elevata.

Le parti in SLS sono perfette per la tintura e la colorazione

Le stampe SLS hanno generalmente una superficie porosa che le rende ottime per la colorazione. Anche, la tintura tramite un processo a bagno caldo è molto efficace. Siccome la superficie è porosa, anche la tenuta del colore è efficace.

SLS Nylon PA 12 tintura verde

SLS Nylon PA 12 tintura rossa

SLS Nylon PA 12 tintura gialla

Le parti in SLS hanno eccellenti proprietà meccaniche

Le stampe SLS hanno un’adesione dei layer molto forte rispetto alle tecnologie alternative come l’FDM. Pertanto, le parti stampate in SLS hanno proprietà isotropiche, il che significa che la resistenza alla trazione, la durezza meccanica e l’allungamento della parte stampata SLS sono pressoché uguali in tutte le direzioni (3 assi). 

A causa delle eccellenti proprietà meccaniche, le parti stampate in SLS sono spesso utilizzate come alternativa alle tipiche parti in plastica stampate a iniezione. Le stampe in SLS offrono anche una discreta resistenza chimica (ad es. Nylon PA 12).

Svantaggi della tecnologia SLS nella stampa 3D

Oltre ai vantaggi che offre, la tecnologia selettiva di sinterizzazione laser possiede anche qualche comune svantaggio.

Le parti SLS sono porose e hanno una struttura fragile

Anche se le stampe SLS possiedono una buona resistenza alla trazione, sono molto meno flessibili e possono sopportare meno deformazioni prima di rompersi. La stessa porosità che rende le stampe SLS eccellenti per la tintura compromette anche la loro integrità strutturale. Per questo motivo, le stampe SLS sono preferibilmente utilizzate come prototipi e non come parti funzionali.

Le stampe SLS hanno un elevato coefficiente di ritiro termico

Per come funziona la tecnologia di SLS, la polvere di stampa deve essere esposta a temperature elevate al fine di sinterizzare. Quando inizia a raffreddarsi, si verifica una contrazione o un restringimento, e la conseguenza è una parte dimensionalmente imprecisa. Il tasso di contrazione della parte è piuttosto alto essendo tra il 3% e il 4% che è comparativamente più alto delle alternative di stampa. 

Ciò va considerato nella fase di progettazione e il volume del modello viene adeguato di conseguenza. Lo stress dovuto alla contrazione può anche accumularsi in spigoli e angoli taglienti, con conseguente deformazione o distorsione.

Maggiore produzione di rifiuti a causa del materiale in polvere SLS

La polvere all’interno della camera di stampa deve essere pre-riscaldata in modo da poter essere sinterizzata con la minima esposizione al laser. Se la polvere che circonda una parte in fase di stampa viene sinterizzata con una temperatura elevata possono crearsi granuli di particelle sul letto di polvere sciolta per la fusione che compromettono la qualità della polvere stessa.

Siccome per ogni singola stampa terminerete sempre con una porzione di polvere inutilizzata, inevitabilmente accumulerete tanta polvere di nylon inutilizzata da smaltire. Già solo per questa caratteristica, la stampa selettiva a sinterizzazione laser genera più scarti rispetto all’MJF che non preriscalda la polvere. La polvere di nylon sciolto è anche un pericolo respiratorio da cui dovrete proteggervi.

SLS 3D printed cup
SLS 3D printed cup

Servizi di stampa 3D SLS di Xometry

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