Sinterizarea Selectiva cu Laser (SSL)

Sinterizarea Selectiva cu Laser (SSL)

Consideratii generale

Procedeul de fabricare rapida a prototipurilor prin SLS se bazeaza pe materializarea unu produs CAD prin adaugare de straturi successive.Fata de procedeul LOM unde laserul focalizat in planul de lucru decupa conturul interior/exterior al fiecarei sectiuni, laserul acopera punct cu punct intreaga arie a sectiunii, sinterizand stratul fin de material depus pe platforma de lucru.Nu necesita construirea de suporturi deoarece stratul de material anterior constituie support pt stratul curent de material.

Diferenta principala dintre sistemul de sinterizare cu laser a metalelor fata de a polimerilor, este sistemul optic si laserul, deoarece o temperature de sinterizare de aproximativ 900 grade necesita o densitate de putere a radiatiei laser mare.Pentru aceasta, diametrul focarului laser este redus la aproximativ 350 m si puterea laserului marita la 200 W.Densitatea de putere trebuie marita de la 25 W/mm2 la pulberile din mase plastice, la 700 W/mm2 la pulberile metalice.

Fig. 2. Masina Sinterstation 2000 - Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca

Principiul de lucru la SSL

Principiul de lucru la fabricarea pieselor prin sinterizare selectiva cu laser este prezentat in fig.3 Procedeul de fabricare rapida a prototipurilor prin sinterizare selectiva cu laser se bazeaza pe materializarea unui model 3D virtual (construit intr-un sistem CAD) prin adaugare de straturi succesive. Fata de procedeul LOM, unde laserul focalizat in planul de lucru decupa conturul interior/exterior al fiecarei sectiuni, in cadrul acestei metode, laserul acopera punct cu punct intreaga arie a sectiunii, sinterizand stratul fin de material depus pe platforma de lucru. Nu este necesara construirea de suporti deoarece stratul de material anterior (sinterizat sau nu) constituie suport pentru stratul curent de material.

Fig. 3 Principiul de lucru la SSL

Sistemul laser 1 din fig. 3 genereaza o radiatie laser care este focalizata de lentila 2 si directionata printr-un sistem de oglinzi 3, catre suprafata platformei de lucru 6. La inceputul procesului de lucru platforma 6, se gaseste in pozitia superioara (de top). Un sistem de alimentare 4, depune pe suprafata platformei un strat subtire de pulbere metalica, de grosime controlata. Raza laser scaneaza suprafata platformei dupa o traiectorie corespunzatoare geometriei primei sectiuni prin piesa de prelucrat. In urma procesului de scanare, radiatia laser sinterizeaza local stratul de pulbere.

Dupa ce radiatia laser a scanat in intregime suprafata primului strat, platforma de lucru coboara pe o distanta egala cu grosimea unui strat. Sistemul de alimentare cu material depune un nou strat de pulbere metalica peste stratul precedent. Din nou radiatia laser va scana stratul curent de pulbere metalica in conformitate cu geometria noii sectiuni prin modelul solid al piesei de prelucrat. In timpul procesului, va exista un permanent control intre grosimea stratului de pulbere metalica depus pe platforma de lucru, distanta dintre sectiunile facute de programul pe calculator prin modelul solid al piesei si respectiv marimea deplasarii platformei de lucru dupa fiecare strat prelucrat. Fata de procedeul LOM, in cazul sinterizarii selective cu laser a pulberilor metalice, este necesar un laser de putere mare.

Materialele folosite in procesul de sinterizare selectiva cu laser sunt deosebit de diverse, incepand cu pulberile din poliamide (DuraForm PA, PA1500, PA2200, PA1300GF, PA3200GF etc.), pulberile metalice (M Cu 3201, DirectSteel^TM 50-V1, DirectMetal^TM 50-V1, DirectMetal^TM 100-V1, RapidSteel 1.0, RapidSteel2.0 etc.), pulberile pe baza de cuart sau zirconiu (EOSINT S cuartz, EOSINT zircon HT) etc.

Pulberile metalice sunt compuse de regula din doi componenti: primul cu punct de topire ridicat numit metal structural si al doilea cu punct de topire scazut avand rol de liant.

Compozitia de baza a pulberii metalice folosite in procesul DMLS a fost dezvoltata si patentata in 1980 de firma Electrolux Rapid Development din Finlanda, pentru productia de piese sinterizate, formate la presiuni mici. Licenta pentru folosirea exclusiva a acestor patente este detinuta de firma germana EOS GmbH.

Datorita focarului mic de 350 μm si vitezei mari de scanare de 300-800 mm/s, durata incalzirii este suficient de mica pentru a evita oxidarea materialului, fara sa fie necesara o atmosfera inerta in zona de lucru.Continutul in fosfor al celui de-al doilea component impiedica oxidarea amestecului de pulbere si imbunatateste difuzia particulelor.

Postprocesarea

Piesele prelucrate prin SLS pot fi prelucrate in continuare prin frezare,gaurire,rectificare,etc.,intocmai ca orice alta piesa din aluminiu.Toate caracteristicile mecanice ale pieselor pot fi imbunatatite semnificativ prin impregnarea piesei cu o rasina epoxidica rezistenta la temperaturi inalte.Rezultatul impregnarii conduce la imbunatatirea rezistentei la incovoiere pana la aproximativ 400 N/mm2 si o netezire a suprafetelor prin inchiderea porilor.Duritatea suprafetei dupa impregnare este de aproximativ 108 HB.

In prezent se studiaza si posibilitatea impregnarii pieselor cu aliaje usor fuzibile.Desi proprietatile mecanice sunt simtitor imbunatatite, costul mare al echipamentelor necesare si pierderea de precizie datorita contractiilor mai mari de 2 % sunt un dezavantaj major.Grosimea unui strat depus pe platforma de lucru este deaproximatv 50 .Rugozitatea unei piese infiltrate este Ra= 3,5 m.Printr-o finisare manuala obisnuita, rugozitatea poate fi adusa la o valoare de Ra<1 m.

Pulberile metalice folosite in cadrul procesului SLS pe masini fabricate de firma DTM folosesc drept liant o rasina epoxidica.Dupa realizarea pe masina a modelului,rezultatul este asa numita piesa-verde.Granulele metalice sunt legate intre ele prin intermediul rasinii epoxidice polimerizate in decursul prcesului SLS.Pentru ca piesa sa fie in intregime metalica,dupa prelucrarea pe masina piesa trebuie introdusa intr-un cuptor unde se continua sinterizarea efectiva a piesei.In cadrul acestei etape,la temperature de sinterizare,liantul organic este ars, iar particulele metalice din componenta piesei vor difuza unele in altele rezultand astfel piesa metalica efectiva.Aceasta postsinterizare poate conduce la deformatii termice ale modelului cu implicatii asupra preciziei acestuia.

Fig. Infiltrarea pieselor sinterizate

Cuptor pentru infiltrare si completarea sinterizarii pieselor metalice (UTC-N)

Fig. Infiltrarea pieselor sinterizate

Aplicatii ale SLS

Una dintre cele mai importante aplicatii ale sinterizarii metalelor cu ajutorul laserului este productia de scule si matrite pentru injectia de mase plastice. Se folosesc de regula doua metode.

Metoda indirecta de sinterizare cu laser, cand laserul polimerizeaza un liant organic din pulberea metalica, urmand ca sinterizarea propriu-zisa a pulberii metalice sa se realizeze intr-o faza ulterioara, intr-un cuptor de sinterizare in care liantul organic este ars. Metoda directa consta in sinterizarea cu laser a pulberilor din materiale termoplastice.

Procedeul este util pentru matrite avand forme complexe. In cazul matritelor metalice avand configuratie geometrica simpla, este mai avantajos de folosit un procedeu de frezare pe masini-unelte de frezat cu CNC. Totusi, daca matrita metalica are anumite zone de geometrie complicata care nu ar putea fi prelucrate decat prin electroeroziune cu electrod masiv, atunci SLS este de recomandat. Uneori, anumite canale interioare in matrita, avand sectiune variabila, nu pot fi prelucrate nici prin electroeroziune. Singurul procedeu competitiv ca precizie si pret de cost ramane SLS.

Sinterizarea selectiva cu laser si impregnarea pieselor dureaza 1-2 zile in functie de marimea acestora. Timpul necesar proiectarii pe calculator (CAD) precum si pentru finisarea acestora, este acelasi ca pentru orice alta piesa prelucrata printr-un alt procedeu conventional. Precizia constructiva a planelor de separatie a matritelor este suficient de buna pentru a fi necesara doar cel mult o operatie de finisare manuala. Proprietatile mecanice ale matritelor fabricate prin SSL sunt acceptabile pentru injectia de piese din mase plastice. Totusi, exista multe aspecte tehnologice deosebit de importante, mai ales privind stabilitatea dimensionala in timpul post-procesarii, care trebuie elucidate in cadrul cercetarilor ulterioare.

Aplicatie industriala a SSL

S-a efectuat un studiu de caz privind posibilitatile de utilizare a pieselor complexe fabricate prin SSL, direct ca scule si matrite pentru fabricarea la scara industriala a unor piese complexe prin injectie de mase plastice. Pentru aceasta, colectivul de cercetare a colaborat cu S.C. Plastor S.A. din Oradea.

S-au fabricat pe masina Sinterstation 2000 (la Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca) elementele active (prezentate in figura 13) ale unei matrite necesare la S.C. Plastor pentru fabricarea unor componente din plastic ale unei motocositoare (ilustrate in fig. 14).

Fig. 13. Poansonul si cuibul, fabricate prin SSL, la Univ. Tehnica din Cluj

Fig. 14. Masina de tuns iarba, fabricata la SC. Plastor SA-Oradea

In cadrul cercetarilor efectuate la UTC-N, s-au fabricat prin sinterizare selectiva cu laser matritele utilizate la fabricarea prin injectie de mase plastice a capacului de forma complexa, component al butonului de reglaj a inaltimii de taiere a ierbii, ilustrat in fig. 15.

Fig. 15. Buton de reglaj. SC Plastor SA-Oradea

Elementele active ale matritelor necesare au fost fabricate prin SSL la Univ. Tehnica din Cluj-N., iar celelalte elemente modulare componente ale matritelor au fost fabricate la SC Plastor SA - Oradea. Ajustarea si asamblarea in placi s-a efectuat la SC Plastor SA, asa cum se ilustreaza in fig. 16.

Fig. 16. Pozitionarea elementelor active, in placi

Testele de utilizare a matritelor cu elemente active fabricate prin sinterizare selectiva cu laser s-au desfasurat la Oradea (SC Plastor SA). Fig. 17 ilustreaza poansonul si placa activa fabricate prin SSL, in stare montata, pentru testarea comportarii lor in timpul injectiei.

Fig. 17. Testarea poansonului si placii active, fabricate prin SSL

S-au efectuat teste de fabricatie a pieselor (prezentate in figura 18),    prin injectie de mase plastice, utilizand matrite ale caror elemente active au fost fabricate prin sinterizare selectiva cu laser.

Fig. 18. Piese fabricate la SC Plastor SA (Oradea), utilizand elemente active fabricate prin SSL la Univ. Tehnica din Cluj-Napoca