Seçici lazer sinterleme (SLS)

Seçici lazer sinterleme (SLS), CO2 lazeri kullanılarak metal ya da alaşım tozlarının yanı sıra, polistren gibi plastik malzemeler, poliamid (naylon), veya seramik malzemelerin seçici olarak sinterlenmesiyle bir ürünün ilk halini oluşturan eklemeli bir üretim sürecidir.

Bu yöntem, DARPA sponsorluğunda 1980' lerin ortalarında Austin' deki Texas Üniversitesi' nde Dr. Carl Deckard ve akademik danışman Dr. Joe Beaman tarafından geliştirilmiştir ve patenti alınmış bir yöntemdir.

Tüm 3B yazdırma yöntemlerinde olduğu gibi, SLS makinesiyle yazdırılan bir nesne, bilgisayar destekli tasarım (CAD) dosyası olarak başlamaktadır. CAD dosyaları, bir 3B baskı aparatı tarafından anlaşılabilen .STL formatına dönüştürülmektedir.

Baskı: Toz, yapı haznesinin içindeki bir platformun üstüne ince bir tabaka halinde dağıtılır. Yazıcı tozu, ham maddenin erime noktasının biraz altındaki bir sıcaklığa kadar önceden ısıtılmaktadır. Bu durum, bir parçayı katılaştırma modeli izlediği için lazerin toz yatağında, belirli bölgelerin sıcaklığının yükseltilmesini kolaylaştırmaktadır. Lazer, 3B modelin bir kesitini taramaktadır ve tozu malzemenin hemen altına veya tam erime noktasına kadar ısıtmaktadır. Bu aşama, tek bir katı parça oluşturmak için parçacıkları mekanik olarak bir araya getirmektedir. Kaynaşmamış toz, baskı sırasında parçayı desteklemektedir ve özel destek yapılarına olan ihtiyacı ortadan kaldırmaktadır. Platform daha sonra, tipik olarak 50 ila 200 mikron arasında olmak üzere, yapı odasına bir katman alçalmaktadır ve süreç, parçalar tamamlanana kadar her katman için tekrarlanmaktadır.

Soğutma: Baskıdan sonra, optimum mekanik özellikler sağlamak ve parçalarda eğilmeyi önlemek için yapı bölmesinin baskı kasasının içinde ve ardından yazıcının dışında hafifçe soğuması gerekmektedir.

İşlem sonrası: Bitmiş parçaların yapı haznesinden çıkarılması, ayrılması ve fazla tozdan temizlenmesi gerekmektedir. Toz geri dönüştürülebilmektedir ve basılı parçalar, ortam patlatma veya ortam yuvarlama yoluyla daha sonra işlenebilmektedir.

SLS için mevcut olan polimer malzemeler çok sınırlıdır. Tercihen yarı kristalin termoplastikler, özellikle poliamid (PA) bazlı tozlar, iyi mekanik parça özelliklerine sahip cihazlarla sonuçlanan olumlu sinterleme davranışları nedeniyle kullanılmaktadır. PA12, PA11 ve PA6' nın yanı sıra polistiren (PS), polipropilen (PP), polietilen (PE), termoplastik poliüretan (TPU) ve polieter eter keton (PEEK) gibi bazı ürünler de mevcuttur.

Polikarbonat (PC), yüksek tokluğu (PEEK' den daha yüksek darbe direncine sahiptir), iyi termal kararlılığı ve alev direnci ile bilinmektedir. Bu nedenle, optimize edilmiş işlenebilirliğe sahip PC tozları, SLS ile işlevsel parçaların eklemeli üretimi için çok önemlidir. Özellikle PC' nin başka bir termoplastikle karışımları, gelişmiş mekanik özelliklere izin verecektir.

Hızlı prototipleme uygulamaları için amorf PC ticari olarak DTM Laserlite Polikarbonat Bileşik LPC3000 lazer sinterleme tozu olarak ve BFGoodrich Co.' dan Grade S1438 olarak mevcuttur. Bu amorf PC tozları, kriyojenik (kuru) öğütme veya ıslak öğütme gibi yukarıdan aşağıya yaklaşımlarla üretilen polimer tozları için tipik olan düzensiz şekilli parçacıklardan oluşmaktadır. Düzensiz şekilli parçacıklar, zayıf SLS işlenebilirliğine ve düşük mekanik parça özelliklerine yol açabilmektedir. Şimdiye kadar mevcut PC tozlarının amorf doğası nedeniyle, bunların uygulamaları, mekanik parça özelliklerinin ve boyutsal doğruluğun çok az öneme sahip olduğu cihazların imalatı ile sınırlıdır.

SLS işleme malzemeleri için polimer, seramik, metal tozları ve bunların kompozit tozları dahil geniş bir hammadde yelpazesi mevcuttur. Bunların arasında polimer, düşük sinterleme enerji tüketimi ve iyi baskı kalitesi avantajları nedeniyle SLS baskısının ana hammaddesi haline gelmiştir.

Toz parçacıkları tipik olarak, malzemenin camsı geçiş sıcaklığının çok altındaki sıcaklıklarda bir bilyalı değirmende sıfır altı bir işlem de öğütme ile üretilmektedir, kuru buz (kuru öğütme) veya sıvı nitrojen ve organik çözücü karışımları (ıslak öğütme) gibi kriyojenik malzemeler ilave edilerek öğütme işleminin yürütülmesi ile sonlandırılmaktadır. İşlem, çapı 5 mikron kadar düşük küresel veya düzensiz şekilli parçacıklara neden olabilmektedir.

Toz parçacık boyutu dağılımları tipik olarak gauss şeklindedir ve çapı 15 ila 100 mikron arasında değişir, ancak bu, SLS işleminde farklı katman kalınlıklarına uyacak şekilde özelleştirilmektedir. Kimyasal bağlayıcı kaplamalar, işlem sonrası toz yüzeylere uygulanabilmektedir. Bu kaplamalar sinterleme işleminini kolaylaştırmaktadır. Ek olarak, özellikle termoset epoksi reçinesi ile kaplanmış alümina parçacıkları gibi kompozit malzeme parçalarının oluşturulmasına da yardımcı olmaktadır.

SLS' de sinterleme öncelikle sıvı halde, toz partikülleri yüzeyde mikro eriyik bir tabaka oluşturduğunda meydana gelmektedir. Malzemenin yüzey enerjisini düşürme tepkisi nedeniyle viskozitede azalma ve parçacıklar arasında daralma olarak bilinen çukur biçiminde bir radyal köprü oluşumu ile sonuçlanmaktadır. Kaplanmış tozlarda lazerin amacı, bağlayıcı görevi görecek yüzey kaplamasını eritmektir.

Katı hal sinterleme de çok azaltılmış bir etkiye sahip olsa da katkıda bulunan bir faktördür ve malzemenin erime sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda meydana gelmektedir. İşlemin arkasındaki temel itici güç, yine malzemenin serbest enerji durumunu düşürme tepkisidir ve bu da moleküllerin parçacıklar arasında yayılmasına neden olmaktadır.

Metal ve seramik tozlarının sinterlenmesi, geometrik olarak karmaşık bileşenlerin yüksek hacimli üretimi için iyi kurulmuş ve ekonomik bir süreçtir. Sinterlemede, sinterleme sıcaklıklarının ve malzemelerin büzülme davranışının, eğrilmeye, katmanlara ayrılmaya ve çatlaklara neden olan kritik gerilme seviyelerini önlemek için yeterince benzer olması önemlidir. Malzemelerin sinterleme atmosferleri ve kimyasal uyumluluğu da dikkate alınmalıdır. İlk bakışta bu, birlikte sinterlenebilen uygun malzeme kombinasyonlarının sayısını büyük ölçüde kısıtlıyor gibi görünebilmektedir. Çeşitli malzemelerin sinterleme özelliklerini aynı hizaya getirmek için ayarlanabilen bir dizi parametre vardır. Bahsedilecek ilk parametreler sinterleme sıcaklığı, büzülme ve toz boyutudur. Belirli bir malzemenin sinterlenmesi hem zamanın hem de sıcaklığın bir fonksiyonudur, bu nedenle sıcaklığın arttırılması genellikle sinterleme süresini azaltır ve bunun tersi de geçerlidir. Ek olarak, malzemelerin partikül boyutunu, bileşimini veya başlangıçtaki görünür yoğunluğunu değiştirmek, sinterleme sıcaklığını ve büzülmesini değiştirecektir.

SLS, tasarlanmış nesnelerin oluşturulmasında yüksek parça doğruluğu, malzeme çok yönlülüğü ve lazer ışınının ürettiği ısı ile birbirine kaynaşmayan malzeme sinterlenen nesne için iyi bir destek sağladığından, imalat sırasında parça desteğine gerek olmaması gibi çeşitli avantajlara sahiptir.

Şu anda yalnızca endüstriyel SLS sistemleri yaygın olarak mevcuttur, bu nedenle teslim süreleri FDM (Fused Deposition Modelling) ve SLA (Stereolithography) gibi diğer 3B baskı teknolojilerinden daha uzundur.