Selective Laser Sintering (SLS)

Acronimo di Selective Laser Sintering, la sinterizzazione laser selettiva è una tecnologia sviluppata dal ricercatore Carl R. Deckard dell’Università del Te- xas, inizialmente detentrice dei brevetti, con il supporto della Darpa (Agenzia governativa del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti incaricata dello sviluppo di nuove tecnologie per uso militare). Tecnologie e licenze sono poi passate alla DTM Corporation e quindi alla 3D System. La tecnologia SLS (Selective Laser Sintering) a per la costruzione del prototipo, differenza del- la tecnologia SLA non parte da un fotopolimero liquido, ma da una polvere ultrafina. Il sistema, rappresentato in figura 1.18, prevede una piano porta pezzo, due serbatoi di polvere con i relativi piani per il rifornimento di ma- teriale, una sorgente laser e un rullo controrotante. La creazione del pezzo avviene dal basso verso l’alto: il piano porta pezzo, prima del passaggio del rullo, abbassa l’oggetto in costruzione; i piani per il rifornimento di polvere, invece, salgono fornendo un nuovo strato di polvere; il rullo controrotante spalma questo strato lungo tutto il piano porta pezzo e lo compatta in modo da creare un piano uniforme (nelle prime macchine non era presente il secon- do serbatoio di polvere e il rullo doveva compiere due volte lo stesso tragitto allungando di molto i tempi di prototipazione); il laser (a CO2 con potenza variabile tra 200 e 50W) deviato da un opportuno sistema ottici, in seguito, procede con la fusione (sinterizzazione) localizzata delle polveri, lasciando inalterate quelle nelle zone circostanti. Si ha così la creazione del profilo sezione grazie alla fusione e unione dei granelli di polvere. Il procedimento si ripete fino alla creazione dell’ultima sezione. Il procedimento si ripete fino alla creazione dell’ultima sezione. Un aspetto molto importante dei materiali in forma di polveri è che consentono di non utilizzare supporti nella creazione del prototipo, infatti la loro funzione è svolta dagli strati stessi di polvere non fusa dal laser che rimangono nella camera di costruzione fino al termine del processo.

Figura 1.18: Rappresentazione schematica della tecnologia SLS La polvere in eccesso viene recuperata, setacciata ed utilizzata per lo strato successivo. Il pezzo finito esce dal macchinario ricoperto da una pol- vere molto compatta, di metallo o polimero. La maggior parte della polvere si rimuove mediante raschietti oppure con piani vibranti che ne facilitano il distaccamento, per pulire invece le superfici si prosegue con un processo di sabbiatura [13]. Le parti possono essere inoltre rifinite da infiltrazione con metallo fuso per raggiungere il un livello maggiore di densità.

Si parla di processo DLS, Direct Laser Sintering, se la sinterizzazione avviene durante la creazione del prototipo (come descritto precedentemente), altrimenti si parla di ILS, Indirect Laser Sintering, quando la vera e propria sinterizzazione avviene dopo la creazione del prototipo in un forno apposito. Per il secondo tipo di procedura, la ILS, le polveri di metallo, di ceramico o di sabbia da fonderia, contengono al loro interno una percentuale di polimero e sarà proprio questo che permetterà al laser di legare la polvere; infatti, il pezzo finito sarà sì di metallo, di ceramico o di sabbia ma il vero legante tra tutte le particelle è il polimero. Successivamente, mediante la cottura in forno del pezzo si fa sublimare o evaporare il polimero procedendo con la vera e propria sinterizzazione.

Le macchine SLS sono in grado di lavorare direttamente con un’ampia gamma di materiali: termoplastici, metalli, ceramici e compositi. La maggior parte dei materiali utilizzati sono sicuri, atossici, semplici da usare e possono essere facilmente conservati, riciclati e smaltiti. Alcuni materiali impiegati sono i seguenti:

• Poliammidi, commercializzati col nome “Duraform—” vengono utilizza- ti per creare parti rigide e ruvide. Questo materiale è duraturo, può

essere lavorato e anche saldato se necessario;

• Elastomeri termoplastici, commercializzati col nome “SOMOS® 201” sono flessibili, impermeabili, simili alla gomma e in grado di resistere alle abrasioni;

• Policarbonati, richiedono laser a minor potenza, sono più veloci da lavorare;

• Nylon, uno dei materiali più duraturi e attualmente disponibili; • Metalli, commercializzati col nome di “LaserForm ST-100” sono acciaio

inox in polvere, rivestiti di polimeri e infiltrati di bronzo;

• Ceramici, commercializzati con i nomi di “SandForm— Zr” e “Sand- Form— Si”.

Le caratteristiche costruttive della Sinterstation 2000 prodotta dalla DTM, vediamo che questa ha uno volume di lavoro 340 x340 x590 mm, necessita di una sorgente laser a CO2 di 50 W, ha una risoluzione su Z di 0.08ö0.5 mm, e nel piano X Y di 0.1 mm. Il costo della macchina, con caratteristiche base si aggira intorno ai 400.000 $. In queste macchine è possibile un controllo della potenza del laser in modo da renderle versatili ed utilizzare con la stessa macchina più polveri. Un altro produttore, la EOS, ha fatto una scelta di- versa, cioè produrre una macchina per sinterizzare una specifica polvere (per polveri di materiali termoplastici, polveri metalliche e polveri prerivestite). Ovviamente, l’errore sul posizionamento del laser dipende molto dal costo del macchinario, valori tipici si aggirano intorno ai 5ö10 mm per le polveri metalliche mentre per polimeri attorno ai 40ö100 mm [13].

I vantaggi presentati da questa tecnica sono: • Buona stabilità del pezzo;

• Ampia gamma di materiali utilizzabili; • Assenza di strutture di supporto; • Limitata fase di post-processo. Gli svantaggi sono invece i seguenti:

• Ampio spazio fisico richiesto dall’unità; • Alto consumo di potenza del laser; • Scarsa finitura superficiale.

1.4

Come individuare l'adeguato processo di Pro-