Pułapka nazewnictwa: nie każdy druk laserowy to metal
SLS i SLM należą do rodziny stapiania w łożu proszkowym i oba używają lasera do budowy części warstwa po warstwie z luźnego proszku, dlatego kupujący często zakładają, że otrzymają ten sam rodzaj elementu. Nie otrzymają. Sam skrót i słowo laser nie mówią nic o materiale, a to on decyduje o zastosowaniu.
SLS spieka proszek tworzywa, więc efektem jest wytrzymały element polimerowy. SLM całkowicie topi proszek metalu, więc efektem jest prawdziwa część metalowa. Pomylenie obu prowadzi do błędnych wycen, terminów i oczekiwań co do wytrzymałości, dlatego rozróżnienie ma znaczenie od pierwszej rozmowy z dostawcą.
Jak działa SLS: spiekanie proszku polimerowego
Selektywne spiekanie laserowe rozprowadza cienką warstwę proszku polimerowego, zwykle nylonu PA11 lub PA12, na obszarze budowy i wiąże przekrój laserem CO2 lub światłowodowym, nie doprowadzając ziaren do pełnego stopienia. Ziarna łączą się na powierzchni, więc struktura pozostaje lekko porowata i matowa. Proces jest więc bliższy spiekaniu niż topieniu i dlatego nie daje części o gęstości metalu.
Niespieczony proszek podtrzymuje rosnącą część, więc SLS nie potrzebuje podpór, a otaczający materiał jest zawracany do kolejnej budowy. Gotowa część to lity, lekko porowaty element nylonowy o dobrej udarności i odporności chemicznej, który można barwić, piaskować i obrabiać mechanicznie. Narożniki pozostają lekko zaokrąglone przez ziarno, co widać na drobnym detalu.
Jak działa SLM/DMLS: topienie proszku metalu
Selektywne topienie laserowe, zwane też DMLS, rozprowadza cienką warstwę proszku metalu, na przykład stali nierdzewnej, tytanu lub aluminium, i topi ją laserem światłowodowym dużej mocy w jeziorko, które krzepnie w gęsty metal. Każdy kolejny przekrój nakłada się na poprzedni, tworząc jednorodną bryłę. Atmosfera robocza jest wypełniona argonem, żeby ograniczyć utlenianie stopu.
Ponieważ metal jest naprawdę topiony, każda warstwa łączy się w strukturę o pełnej gęstości, zbliżoną do materiału walcowanego. Podpory są zwykle konieczne do odprowadzania ciepła i utrzymania nawisów, a część wyjmuje się z masy luźnego proszku, który następnie się odzyskuje i przesiewa. Bez odprężania i obróbki wymiary mogą się przesunąć po zdjęciu podpór.
Rodziny materiałów i możliwości druku
SLS pracuje na polimerach konstrukcyjnych: nylonie bez napełniacza i z włóknem szklanym, TPU dla elastyczności oraz kompozytach specjalnych. Dają one lekkie, izolujące i odporne na korozję części, łatwe w obróbce wykończeniowej, a przy tym znacznie tańsze w materiale niż jakikolwiek proszek metalu. Dlatego SLS wybiera się do obudów i osłon, a nie do elementów przenoszących moment.
SLM pracuje na prawdziwych stopach metali: stalach nierdzewnych, stalach narzędziowych, tytanie, aluminium i nadstopach niklu. To otwiera części, które przewodzą prąd, odprowadzają ciepło, znoszą działanie ognia i przenoszą obciążenia konstrukcyjne, jakich nie udźwignie żaden polimer, nawet napełniany. Tytan i nadstopy otwierają zastosowania, w których liczy się masa przy zachowaniu nośności.
Wytrzymałość, gęstość i anizotropia
Nylon SLS jest mocny jak na tworzywo i ma dobrą odporność zmęczeniową, ale pozostaje polimerem: mięknie pod wpływem ciepła i nie przeniesie obciążeń na poziomie metalu. Właściwości mogą się nieco zmieniać wraz z orientacją budowy, dlatego przy częściach pracujących warto testować gotowy wyrób, a nie tylko próbki. Projektując element nośny, lepiej przyjąć zapas i sprawdzić go na maszynie wytrzymałościowej.
Części SLM to w praktyce lity metal o właściwościach bliskich materiałowi walcowanemu, choć i one pokazują pewną anizotropię między kierunkiem pionowym a poziomym. Do zastosowań nośnych, wysokotemperaturowych lub przewodzących kwalifikuje się wyłącznie SLM, a projekt i tak wymaga sprawdzenia zmęczeniowego. Kierunek budowy ustala się więc razem z konstruktorem, a nie dopiero w przygotowaniu do druku.
Dokładność wymiarowa i tolerancje
SLS trzyma typowe tolerancje około plus minus 0,3 mm na małych częściach, ograniczone ziarnistością proszku i niewielkim skurczem stygnącego nylonu. Jest doskonały pod pasowanie i funkcję, ale nie pod precyzję połączenia wciskowego, gdzie luz musi być policzony z zapasem na rozrzut procesu. Przy pasowaniach ruchowych trzeba zostawić więcej miejsca niż w metalu.
SLM trzyma ciaśniejsze tolerancje, często około plus minus 0,1 do 0,2 mm, bo stopiony metal krzepnie w dobrze kontrolowanej warstwie. Gwinty i gniazda łożysk są osiągalne, choć wymiary krytyczne często wykańcza się frezowaniem CNC po druku, razem z bazami i otworami ustalającymi. Dopiero po frezowaniu część nadaje się do współpracy z łożyskiem.
Wykończenie powierzchni i obróbka
Części SLS mają charakterystyczną ziarnistą, matową powierzchnię po proszku. Zwykle się je barwi, piaskuje lub wygładza parą, a takie wykończenie wystarcza do większości obudów i uchwytów, gdzie estetyka schodzi na drugi plan wobec funkcji i kosztu. Samo piaskowanie daje równomierną i przewidywalną fakturę na całej powierzchni.
Części SLM wychodzą z maszyny szorstkie i mogą wymagać odprężania, usunięcia podpór oraz frezowania CNC baz i otworów. Powierzchnię poprawia piaskowanie lub polerowanie, ale obróbka metalu jest bardziej pracochłonna i kosztowna niż wykańczanie polimeru, co trzeba wpisać w budżet projektu. Każda z tych operacji wydłuża termin i musi być ujęta w wycenie.
Koszt, termin i objętość budowy
SLS jest stosunkowo ekonomiczny: proszek polimerowy jest tani, maszyny są powszechne, a partia części dzieli jedną budowę. To domyślny wybór dla prototypów z plastiku i małoseryjnych części funkcjonalnych, gdzie liczy się krótki termin i rozsądna cena za sztukę. Małe serie często mieszczą się w jednej budowie, co dodatkowo obniża koszt.
SLM kosztuje więcej za część, bo proszek metalu, lasery dużej mocy i atmosfera gazu obojętnego są drogie, a budowy trwają dłużej. Zwraca się tam, gdzie frezowanie tej samej geometrii marnowałoby materiał lub byłoby niemożliwe, zwykle przy małych i średnich ilościach oraz przy kształtach o zamkniętych kanałach. Dla prostych kształtów frezowanie bywa szybsze i tańsze niż druk.
Kiedy SLS jest lepszym wyborem
Wybierz SLS, gdy część jest z plastiku i potrzebuje trwałości, złożoności lub małej serii bez oprzyrządowania. Kanały wentylacyjne, obudowy, przyrządy i elementy z zawiasem jednoczęściowym to naturalne zastosowania SLS, podobnie jak osłony i uchwyty wewnętrzne. Nie płaci się wtedy za formę, a zmiana geometrii nie wymaga nowego narzędzia.
SLS jest też idealny, gdy potrzebne jest kilkadziesiąt identycznych części funkcjonalnych szybko i tanio albo gdy geometria ma wewnętrzne kanały i zatrzaski trudne do obróbki skrawaniem. Jeśli metal nie jest wymagany, SLS jest zwykle rozsądniejszym wydatkiem niż drukowanie metalu na zapas. Metal warto rozważyć tylko tam, gdzie naprawdę decyduje przewodność lub nośność.
Kiedy lepszy jest druk SLM
Wybierz SLM, gdy zastosowanie wymaga prawdziwego metalu: wsporniki konstrukcyjne, wymienniki ciepła, kolektory, narzędzia chirurgiczne i lekkie elementy kratownicowe, które muszą znosić obciążenie i temperaturę, a przy tym mieć złożony kształt niemożliwy do odlewu. Liczy się też odporność na temperaturę pracy i na korozję.
SLM wygrywa też przy scalaniu, łącząc kilka frezowanych elementów w jeden drukowany zespół, oraz przy małoseryjnej produkcji złożonych części metalowych, gdzie tradycyjne skrawanie byłoby wolne lub marnotrawne. Porównaj go z CNC przed decyzją, bo proste kształty metalowe taniej wychodzą z frezowania. Przy scalaniu warto sprawdzić, czy montaż po druku nie okaże się i tak konieczny.
Jak FabProto wspiera oba procesy
FabProto realizuje SLS dla części polimerowych i współpracuje z kwalifikowanym drukiem metalu SLM/DMLS dla komponentów o jakości produkcyjnej, dzięki czemu obie drogi addytywne mają jednego odpowiedzialnego dostawcę i jeden punkt uzgodnień technicznych. Zakres obejmuje też obróbkę wykończeniową i kontrolę wymiarową po druku.
Nasi inżynierowie pomagają zdecydować, czy część należy do nylonu, czy do metalu oraz czy SLM, czy frezowanie CNC jest ścieżką o niższym ryzyku i koszcie dla danej geometrii i ilości. To doradztwo utrzymuje program addytywny skupiony na częściach, które naprawdę korzystają z druku 3D. Pozwala też uniknąć drukowania metalu tam, gdzie wystarczy nylon albo frezowanie.