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迎接制造业产业化需求,一文看懂SLS 3D打印技术的市场与趋势

时间:2019-01-05 22:12 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

       20世纪80年代,在德克萨斯大学奥斯汀分校,Carl Deckard博士和Joe Beaman博士开发了一种名为选区激光烧结(SLS)的制造工艺并申请了专利,这是第一批进入市场的3D打印技术。30多年后,该技术仍活跃在增材制造领域并从各个方面进行着改进和革新。

      SLS 3D打印技术是使用高功率激光将粉末材料融合在一起形成所需的3D形状,可以提供高度的设计自由度、高精度和出色的机械性能,是功能原型设计和小批量生产的理想选择。当然,SLS 3D打印机也有着不足之处,其中一点就是设备体积大而且价格昂贵。

如今,随着该技术的发展,SLS 3D打印机也开始变得越来实惠、越来越紧凑。

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Chart- – - – - -

block 桌面级 SLS 3D打印机

Sintratec

Sintratec有两款SLS 3D打印机,一款是Sintratec Kit,一款是SintratecS1,主要参数如下:

chart2

Sintratec

      Sintratec Kit 于2014年发布,构建体积为100 x 100 x 100 mm,最小层厚为50微米,能够以高分辨率生成复杂的几何形状。该设备是以套件形式交付的,需要大约4天的时间进行安装。这款打印机适合研究SLS 3D打印技术可能性的制造商和专业用户。

Sintratec S1
Sintratec S1在瑞士设计和制造,它利用电流计控制高精度二极管激光器的方向,提高了打印速度。为了简化生产工作流程,S1具有直观的Sintratec Central程序,其中包括逐步指导和用户友好的设计,可轻松准备3D模型进行打印。虽然被称为桌面式SLS 3D打印机,却提供了130 x 130 x 180mm的构建体积。Sintratec S1这款小型机器适合需要SLS系统的小型企业,生产功能原型和最终用途零件。

Sinterit

Sinterit Lisa 打印机具有直观的用户界面,简化了整个烧结过程,按步骤即可完成。Sinterit Lisa 价格相对较低,基础配置上可以加购喷砂和粉末筛。

Sinterit

      这款3D打印机的构建体积为150 x 200 x 150 mm,最小层厚为0.075mm,适合想要引入SLS技术而不想投入太多资金的专业用户和小型企业。另外,Sinterit最近推出了Sinterit Lisa Pro,这款升级型号包括更大的构建体积并具有内置氮气室。

Sinterit Lisa主要参数
· 最大构建尺寸 (mm)150 x 200 x 150
· 最小层厚 (mm)0.075
· 打印速度(Z轴)10 mm/hr
· 激光类型5W IR Laser Diode
· 材料:PA 12, TPU
· 售价 (USD)$8,990

Sharebot

      Sharebot的SnowWhite具有小巧的100 x 100 x 100mm构建体积,是市场上最小的SLS 3D打印机之一。它的特点是采用了CO2激光,使其能够使用更广泛的材料进行打印,包括PA 12,PA 11,TPU和含有碳纤维、玻璃和铝等添加剂的粉末材料,能够使用各种热塑性粉末进行打印,可以生产出机械上优越的原型和最终部件。SnowWhite面向大学,研究实验室和中小型企业。

sharebot

Sharebot SnowWhite主要参数

·  最大构建尺寸 (mm):100 X 100 X 10
·  最小层厚(mm):0.05
·  打印速度(Z轴):35 mm/h
·  激光类型:14W CO2
·  材料:PA 12, PA 11, TPU
·  售价(USD):~$40,000

Formlabs

      Formlabs 2017年宣布将进入SLS市场,生产配备有工业电源的桌面式SLS打印机Formlabs Fuse 1。Fuse 1 的价格为9,999美元起,定价显著低于工业级SLS 3D打印机的价格。如果设备包括材料回收后处理站、简化使用的额外构建活塞和初始材料加载在内的完整配置,打包价格为19,999美元。

Formlabs

Formlabs Fuse 1主要参数

·  最大构建尺寸(mm)165 x 165 x 320
·  最小层厚(mm)0.1
·  打印速度:10 mm/h
·  材料:PA 12, PA 11
·  售价(USD):$9,999

Natural Robotics

Natural Robotics VIT打印机的构建体积为250 x 250 x 300mm,打印速度为20mm / h,最小层厚为0.05mm。Natural Robotics在2017年进行了VIT的第一批预定,已经开始交货。Natural Robotics正在开发SLS 3D打印机的清洁和回收站,打印机及其附加配件预计将在2019年第一季度对外发布。同时,VIT将提供技术支持和可选的维护计划,以确保硬件保持最佳状态。

natural

Natural Robotics VIT参数
· 最大构建尺寸(mm)250 x 250 x 300
· 最小层厚(mm)0.05
· 打印速度(Z 轴):20 mm/h
· 激光类型:40W CO2 激光器
· 材料:PA 12
· 价格 (USD):$12,900

RED ROCK 3D

RED ROCK 3D VIT 3D打印机由高精度CNC加工制造而成,配有直观的5英寸触摸屏,构建体积为180 x 180 x 180 mm,最小层厚为100微米,打印速度为20cm3/h。这款打印机是不断增长的SLS 3D打印市场上的新面孔。

red rock

RED ROCK 3D VIT参数
· 最大构建尺寸(mm)180 x 180 x 180
· 最小层厚(mm)0.1
· 打印速度 20 cm3/h
· 激光类型5W Laser Diode
· 材料PA 12

block 小型工业级SLS 3D打印机

虽然适合专业用户使用的桌面式SLS打印机已进入市场,但大多数的SLS打印机仍适用于工业领域。以下是部分适合工业用途的SLS 3D打印机。

Prodways

法国Prodways的ProMaker P1000 3D打印机于2016年首次亮相,是一款工业打印机,具有高精度和300 x 300 x 300 mm 的构建平台。ProMaker P1000具有加热系统和智能温度控制,使零件具有优异的机械性能。另外,该打印机使用精细激光束和数字振镜扫描系统来提高表面光洁度。

prodways

Prodways现在提供10种不同的工业SLS 3D打印机,其中一些配套的打印材料已经过医疗和航空认证。除了这些材料外,ProMaker P1000还可以与第三方材料兼容,使用户可以使用其他粉末材料。

ProdwaysPromaker P1000参数
· 最大构建尺寸(mm)300 x 300 x 300
· 最小层厚(mm)0.1
· 打印速度1.1 l/h
· 激光类型30W CO2
· 材料PA 12, PA 11, TPU 等
· 售价(USD)~$113,000

EOS

由德国工业3D打印先驱EOS制造的Formiga P 110,是一款小型、紧凑、灵活高效的工业级SLS 3D打印机。最大构建尺寸为200 mm x 250 mm x 330 mm,最小层厚为60微米,适合生产复杂几何形状的小型部件。

fORMIGA

Formiga P 100采用了改进的温度管理和软件控制,可靠性高。它具有精确的激光光斑,焦点直径小,允许壁厚小于半毫米。Formiga P 100可兼容九种聚合物材料、十种材料和层厚度的组合。

EOS Formiga P 110参数
· 最大构建尺寸(mm)200 x 250 x 330
· 最小层厚(mm)0.06
· 打印速度1.2 l/h
· 激光类型30W CO2
· 材料Polyamide PA 2200, 2105, 2201, 等
· 售价(USD)约$175,000

3D Systems

增材制造业制造商3D Systems于2017年11月发布了ProX SLS 6100,这是一款主要面向汽车、航空航天、医疗保健和消费品行业的SLS3D打印机,它具有381 x 330 x 460 mm的构建尺寸。ProX SLS 6100适合一系列新型DuraFormProX SLS材料,这些材料由PA 12,PA 11以及填充碳纤维,玻璃和铝的尼龙粉末组成,适合于工业应用。

3dsystem

3D Systems ProX SLS 6100参数
· 最大构建尺寸 (mm)381 x 330 x 460
· 最小层厚(mm)0.08
· 打印速度2.7 l/h
· 激光类型100W CO2
· 材料DuraFormProX Materials

block 桌面级的工业性能SLS 3D打印机

德迪智能

杭州德迪智能将于2019 TCT亚洲展会推出一款带振镜的SLS选区激光烧结3D打印机,主要参数如下:

德迪智能推出的这款设备旨在解决国际和国内市场目前在激光烧结方面“高不成、低不就”的痛点(工业级设备价格偏高,桌面级有效成型尺寸偏小)。德迪智能以性价比和效率来满足产品生产领域产业化的需求和原型制作领域的灵活性需求,材料选择包括尼龙PA12,PA11,TPU, PP。 对于尺寸在350mm~400mm范围的产品制造(例如眼镜、医疗康复辅具、无人机、鞋中底等),这款设备可以满足低资金门槛要求的经济高效的小批量生产需要。对于设计领域的原型制作方面, 这款设备以桌面级的灵活性改变了以往将大型生产设备用于工作室原型制作的尴尬。

dedibot1

dedibot2
同时,为了可持续性发展和满足产业化发展的需求,德迪智能在技术方面做了多方面创新,其中气氛保护由传统的惰性气体(氮气、氩气)改为真空环境,有效的提升了环境友好及适用性,可在办公环境下使用。而后续的自动化后处理设备会进一步提升操作的简便性,核心配置与主流工业级3D打印设备一致,为生产领域的产业化要求做了充分的准备。

与市面上类似外观尺寸的选区激光烧结设备相比,德迪智能的这款设备的有效成型尺寸可以达到1.5到2倍。此外,市面上的桌面级激光烧结设备大多通过轴的移动来实现激光烧结工作,而德迪智能的SLS3D打印设备配备了振镜扫描系统,且设备价格具备市场竞争力。这款设备计划于2019 TCT亚洲展会期间亮相,并于2019年3月份开始公测。

block SLS 3D打印技术

定义及发展趋势

选区激光烧结(SLS)是一种增材制造工艺,被归类为粉末床技术。SLS 3D打印使用高功率激光器,可以选择性地烧结聚合物粉末的颗粒,将它们以逐层的方式熔合在一起,直到完成3D设计。该工艺传统上采用塑料材料烧结,但也被用于金属、玻璃和其他复合材料。

SLS 3D打印通常用于专业和工业环境,是生产功能原型和小批量生产的理想选择。与FDM或SLA等工艺相比,这种基于粉末的方法具有更高的设计自由度,更高的精度和更全面的机械性能。

早期的SLS 3D打印应用于工业用途,体积大,价格昂贵且难以操作。通过以上盘点,我们看到在市场上已经涌现出价格适中的桌面式打印机,这使得曾经受限制的SLS技术更容易被专业用户和小型企业所接受。

SLS 技术的3D打印过程

SLS

SLS 3D打印过程首先加热粉末箱,并在聚合物熔点之下构建区,重涂覆刀片用于在构建平台上铺展薄层粉末。随后,CO2激光扫描下一层的轮廓并烧结粉末的颗粒。为确保零件完全是实心的,需要扫描部件的整个横截面。一旦完成一层,构建平台向下移动,刀片用干净的粉末涂层重新涂覆表面,重复该过程直到部件完成。

SLS_2

打印完成后会有很多后处理步骤。固体3D打印部件在未烧结的粉末内,在移除部件时,构建室需要冷却,这个冷却过程可能需要大约12个小时。

SLS_3

从构建室中取出部件后,将使用压缩空气站或其他形式的喷射技术进行清洁。收集回收到的遗留未烧结粉末,以便再次使用。

SLS 3D打印的优势

- 采用SLS技术生产的零件通常具有各向同性的机械性能,使其成为功能原型和最终用途零件的理想选择。
- 使用SLS 3D打印时,不需要支撑结构,因此可以轻松生成复杂的几何形状。
-  由于可以同时在打印室中打印多个零件,SLS非常适合中小批量生产。
- 无需模具即可直接制造塑料件。
- 缩短交货时间。

SLS 3D打印的局限性

- 与FDM和SLA 3D打印机相比,SLS 3D打印仍然相对昂贵。
- SLS过程需要及时的后处理,如果不采取适当的预防措施,处理粉末可能会造成混乱并且可能带来危险。
-  使用SLS 3D打印生产的零件通常具有颗粒状表面光洁度和内部孔隙率。
-  由于翘曲和过度烧结,SLS 3D打印机无法生成大的平面或小孔。

SLS 3D打印的应用

SLS3D打印非常适合创建复杂的功能原型和最终部件。从整体上看快速原型设计时,SLS流程可以处理概念验证原型,设计评估模型,产品测试,设计验证,风洞测试模型等。

常见的SLS 3D打印应用领域有:
• 汽车零部件
• 航空航天部件
• 医疗设备和其他医疗保健应用
• 消费类电子产品
• 包装
• 军事
• 夹具
• 注塑模具
•砂型铸造图案
•刀具

block SLS 3D打印材料

SLS 3D打印最常用的材料是聚酰胺12(PA12),更简单地称为尼龙12。还有其他热塑性粉末材料如聚酰胺11,TPU和PEEK也可使用。

SLS_4

目前市场上SLS设备传统上使用的是半结晶材料。根据3D科学谷联合创始人Korinna Penndorf 女士,沙特基础化学开发了用在SLS设备上的一款非结晶材料是聚碳酸酯PC材料,通过激光烧结零件可以达到96%以上的密度,并且这款材料是100%可回收的。

SLS_5图片:烧结非结晶材料,达到96%以上的致密度,来源SABIC

为了进一步提高机械和热性能,这些粉末也可以与某些增材材料混合使用,例如碳纤维,玻璃纤维和铝。然而,这些添加的材料会使复合材料更类似金属的机械性能。

以下是目前SLS 3D打印常用的材料。

聚酰胺12(PA 12)

PA12聚酰胺12(即尼龙12-PA12)是迄今为止最常用的SLS 3D打印材料。它具有出色的机械和热性能,以及对各种化学品的耐受性。采用PA 12制造的零件也具有长久的稳定性,是功能原型和最终零件的理想选择。某些聚酰胺12材料在一定条件下具有生物相容性和食品安全性。通常,使用这种粉末材料制成的SLS打印零件具有无光泽的粗糙表面,需要进行后处理。

聚酰胺11(PA 11)

PA11

聚酰胺11(PA 11)具有更高的弹性和完全各向同性的特性,机械性能与PA 12相当。同时,它还具有较好的耐热性和耐化学性。PA11是由植物油来源的可再生原料制成,因此对环境影响小,在光照,紫外线和天气条件下也可以保持稳定。它通常以黑色细粉末的形式出现。

TPU

TPU

作为一种灵活且坚固的材料,TPU粉末非常适用于需要弹性的原型和部件。这种热塑性弹性体具有类似橡胶的柔韧性和高度的功能性。 TPU材料通常具有耐磨损性,高质量的表面光洁度和细节。常用于密封件,垫圈,软管,夹具,玩具等。

碳纤维增强尼龙 PA12 – CF

PA12-CF

在某些情况下,尼龙粉末与添加剂混合,可以增强3D打印部件的整体机械性能。一种常用的SLS 3D打印材料是碳纤维增强尼龙,它是由尼龙粉和碳纤维组成,具有出色的重量 – 强度比和刚度。然而,它具有高度各向异性倾向,这意味着材料特性将根据它们的测量方向而变化。

玻璃纤维增强尼龙 PA12 – GF

PA12-GF
玻璃增强尼龙非常适合于具有高抗拉强度、耐磨性和耐温性的SLS 3D打印部件。与碳纤维填充的尼龙粉末类似,玻璃填充的尼龙具有各向异性。这些材料通常具有10-40%的玻璃粉末,其含量将影响SLS材料的强度和脆性。

铝粉填充尼龙(ALUMIDE)

聚酰胺粉末也可与铝粉混合,形成具有金属外观和高刚度的SLS 3D打印材料。该材料可用于生产耐高温且易于加工的无孔部件。铝填充尼龙,也称为Alumide,非常适合汽车零件,风洞测试,小批量生产等。

3D科学谷曾发表过名为“盘点尼龙的应用领域、材料商及3D打印设备”的文章,详细介绍了尼龙材料的上中游情况、所对应3D打印技术、及所涉及到的3D打印设备。其中就包括了尼龙在SLS打印中的应用。

此外,3D科学谷曾发布过《塑料3D打印白皮书》,文中对塑料的分类和3D打印应用有着详细的分析。

block 3D科学谷Review

在3D科学谷看来,就选区激光烧结3D打印技术来说,其加工速度被HSS高速烧结以及惠普的多射流熔融技术所挑战,其打印精度被Carbon这些新兴的CLIP连续液面固化技术所威胁。那么选区激光烧结3D打印技术的发展空间在哪里呢?

根据3D科学谷的市场观察,选区激光烧结3D打印技术可以实现非常复杂的设计,包括其他技术很难实现的薄壁结构。在打印材料方面,可以用来制造一些复杂的材料,包括可以导电的塑料产品(含金属粉末),还可以用来制造可以部分替代金属产品的复合材料产品。而随着像沙特基础这些材料公司的开发工作走向深入,选区激光烧结3D打印技术的应用领域被进一步拓宽。此外,包括杭州德迪智能所将要推出的桌面式工业级选区激光烧结设备,更是将这一技术的性价比进一步提升到一个新的水平。

SLS 3D打印的另一个问题是表面光洁度。根据3D科学谷的市场观察,DyeMansion有一项后处理技术被称为喷丸处理,DyeMansion通过Powershot S自动喷射系统进行喷丸处理。这是一个类似于喷砂的过程,在处理过程中一股流体(通常是圆形颗粒的金属,玻璃或陶瓷)会冲击塑料表面,这些颗粒产生的力让塑料表面变得平滑,从而创造出一个均匀而有光泽的表面。这类后处理工艺可用于提高SLS打印零件的表面光洁度。

(责任编辑:中国3D打印网)

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