¿Cuánto se puede imprimir con 1 kg de polvo SLS?

La impresión 3D SLS (Selective Laser Sintering) ha revolucionado la forma en que se crean objetos tridimensionales complejos, ofreciendo una libertad de diseño sin igual y versatilidad en la selección de materiales. Esta tecnología innovadora utiliza láseres y materiales en polvo para construir objetos capa por capa, abriendo un mundo de posibilidades para diversas industrias, desde la prototipación hasta la producción.

El polvo SLS generalmente se suministra en grandes cantidades, comúnmente medido en kilogramos o litros. Los proveedores suelen ofrecer polvos SLS en varios tamaños de paquete para adaptarse a diferentes necesidades de los usuarios, que van desde pequeñas cantidades, como unos pocos kilogramos, hasta cantidades mayores, como decenas o cientos de kilogramos. La elección de la cantidad de polvo depende de la escala de los proyectos de impresión 3D previstos y la frecuencia de uso del material.

Saber la capacidad de impresión de 1 kg de polvo SLS tiene numerosos beneficios. No solo permite a los usuarios optimizar los recursos y gestionar mejor los costos, sino también programar y escalar proyectos de manera más eficiente, así como optimizar la satisfacción del cliente y reducir los tiempos de entrega. El volumen de 1 kg de polvo SLS puede variar según el material específico que se esté utilizando (su densidad), pero a modo de aproximación general, se estima que 1 kg de polvo SLS ocupa un volumen de aproximadamente 2 a 2.5 litros. La pregunta es: ¿cuántas piezas o de qué tamaño puede imprimir esta cantidad de polvo SLS? La respuesta depende de muchos factores.

¿Qué factores influyen?

La cantidad que se puede imprimir con 1 kg de polvo SLS (Selective Laser Sintering) dependerá en gran medida del material específico del polvo, del tamaño y complejidad de la pieza, o del nivel de detalle deseado. Sin embargo, hay tres factores principales que deben tenerse en cuenta al diseñar, imprimir y postprocesar, con el fin de obtener el máximo provecho de una determinada cantidad de polvo SLS en un proyecto dado. Estos factores son:

1. Orientación de la pieza.
2. Densidad de empaquetado.
3. Refresco de polvo.

La cantidad que se puede imprimir en 3D con 1 kg de polvo SLS se demostrará en el ejemplo del polvo SLS Industrial PA12 de Sinterit y la impresora 3D SLS compacta Lisa X de Sinterit. Se tendrán en cuenta la orientación de la pieza, la densidad de empaquetado y el refresco de polvo. Estos conceptos se explicarán brevemente y luego se analizará el ejemplo de Sinterit, proporcionando parámetros de impresión específicos y los resultados finales de la cantidad de polvo utilizado.

Orientación de la pieza

La orientación de la pieza es un aspecto crítico de la impresión 3D SLS que afecta significativamente la calidad de las piezas impresas en cuanto al acabado superficial, integridad estructural (deformación y distorsión) y propiedades mecánicas, así como los requisitos de soporte. Sin embargo, la orientación de la pieza también afecta la cantidad de polvo requerida para la impresión. Cuanto más alta sea la pieza/arreglo, se requerirán más capas y, por lo tanto, se utilizará más polvo.

Recomendaciones para la orientación de la pieza

Cuando se imprime plana en el lado largo, un cuboide de 100 x 10 x 10 mm solo tendrá de 57 a 133 capas (según la precisión elegida). Pero si el mismo cuboide se gira 45º solo en Y, el número de capas necesarias para imprimir la pieza aumentará casi siete veces. Esto puede parecer una oportunidad perfecta para ahorrar material al elegir una orientación horizontal en lugar de vertical, pero al hacerlo, corremos el riesgo de deformación y flexión de la pieza.

A medida que las piezas impresas en 3D se enfrían después de la impresión, las diferencias de temperatura pueden provocar estrés térmico. Las esquinas de una pieza tienden a enfriarse más rápido que el interior, lo que causa contracción desigual. Esto puede resultar en deformaciones, especialmente si el enfriamiento ocurre rápidamente o si el material tiene un alto coeficiente de expansión térmica.

Debemos tener en cuenta que no todas las piezas se pueden imprimir planas debido a posibles problemas de deformación y flexión, y en esos casos se debe elegir la mejor orientación independientemente de las capas y el material que se necesitará para construir la pieza.

Imagen 1: Recomendaciones para la orientación de la pieza en la impresión 3D SLS. Fuente: Sinterit.

Las otras reglas de oro para la colocación de la pieza para obtener los mejores resultados en la impresión 3D SLS incluyen:

1. Colocar el modelo en el centro inferior de la plataforma de impresión (para una mejor distribución del calor) y agregar más modelos hacia los bordes y de abajo hacia arriba.
2. Los modelos también deben estar distribuidos de manera uniforme (con espacios de al menos 4 mm).
3. Los modelos más pequeños se pueden colocar dentro de los más grandes para optimizar aún más el espacio.
4. Si es posible, se debe tener la misma área de impresión en cada capa.
5. Si se desea obtener una superficie suave, las piezas deben colocarse hacia abajo (las partes inferiores tienden a ser más suaves con la impresión 3D SLS).
6. Si se requieren bordes o detalles afilados, se debe hacer lo contrario (las partes deben colocarse hacia arriba).
7. Para lograr precisión dimensional en piezas con agujeros, canales y aberturas, estos elementos deben colocarse paralelos al eje Z.
8. Lo mismo se aplica a las piezas móviles, que también deben tener un espacio funcional de holgura de 0.2-0.5 mm entre los elementos móviles.

El ejemplo

Dejando de lado los problemas de deformación, para demonstrar cuánto se puede imprimir con 1 kg (2 l) de PA12 Industrial en Lisa X, se utilizará un diseño simple de una rueda dentada. Para este diseño en particular, una orientación plana es perfecta ya que garantiza la nitidez de los detalles de los engranajes, así como una mejor distribución del calor hacia arriba a través de los agujeros y perforaciones. Este riesgo también se reduce debido a la forma cilíndrica del engranaje, ya que los cilindros no tienen esquinas.

Imagen 2: Ocho ruedas dentadas se ajustaron en una placa de impresión. Fuente: Sinterit.

Teniendo todo esto en cuenta, ocho engranajes podrían ser ajustados gracias a un arreglo plano. Una vez que el diseño había sido laminado con una altura de capa de 0.125 mm, la cantidad estimada de polvo necesario fue de aproximadamente 1.92 l (un poco menos de 1 kg). Además, una vez que la impresión se completó, el polvo no sinterizado tuvo que ser refrescado para ser viable para futuras impresiones. Este proceso requirió agregar aproximadamente 0.54 l de polvo SLS fresco (alrededor de 0.3 kg) al polvo no sinterizado recolectado.

Densidad de empaquetado

La densidad de empaquetado juega un papel crucial en la impresión 3D SLS, ya que influye tanto en el costo como en la calidad de las piezas impresas. La densidad de empaquetado se refiere a la disposición de las piezas dentro de la cámara de impresión, determinando cuán ajustadas están empaquetadas. Una mayor densidad de empaquetado significa que se pueden imprimir más piezas simultáneamente, maximizando la utilización del polvo disponible y reduciendo los costos de material por pieza.

Imagen 3: Una cama de impresión empaquetada aproximadamente al 40 %. Fuente: Sinterit.

Además, una disposición más densa puede mejorar la transferencia de calor durante el proceso de impresión, minimizando la deformación y promoviendo la precisión dimensional. Sin embargo, lograr una alta densidad de empaquetado requiere una consideración cuidadosa para garantizar el uso eficiente del espacio y mantener la calidad de impresión. Se puede leer más sobre la densidad de empaquetado en este artículo de Sinterit.

El ejemplo

Para el diseño de engranajes mostrado en la Imagen 2, alcanzar una densidad de empaquetado del 7 % en la plataforma de impresión ha permitido lograr un menor costo por pieza para esa impresión. La densidad de empaquetado del 7 % corresponde a un precio de 2.49 € por pieza (para una impresora 3D Lisa X), y cuanto mayor sea la densidad de empaquetado, menor será el costo de la pieza.

Imagen 4: Una mayor densidad de empaquetado optimiza el uso de polvo y reduce el costo por pieza. Fuente: Sinterit.

La ubicación más óptima de las piezas en la plataforma de construcción se puede simular mediante software de laminado. Estas herramientas pueden optimizar la disposición de las piezas para lograr una mayor densidad de empaquetado, considerando factores como la orientación de las piezas, el anidamiento y la minimización del espacio no utilizado. El análisis puede proporcionar métricas cuantitativas como la eficiencia de empaquetado o el porcentaje de utilización del espacio.

Refresco de polvo

Debido a la naturaleza del proceso SLS, donde solo el material utilizado en la pieza real es sinterizado, el polvo no sinterizado restante puede ser recolectado, tamizado y mezclado con polvo fresco para mantener una cama de polvo consistente para impresiones posteriores. Esto se hace generalmente con la ayuda de herramientas especializadas dedicadas al polvo y estaciones de manipulación de polvo. Algunos polvos necesitan una tasa de refresco de hasta el 60 % y otros no requieren ningun refresco .

Video 1: Refresco de polvo SLS. Fuente: Sinterit.

Al refrescar y reutilizar de manera efectiva el polvo no sinterizado, la impresión SLS se vuelve más rentable y respetuosa con el medio ambiente, reduciendo el desperdicio de material y maximizando la utilización del polvo. El refresco del polvo ayuda a garantizar condiciones óptimas de impresión, ya que repone cualquier polvo agotado y mantiene las características deseadas del polvo como la fluidez y la distribución de partículas. Se pueden encontrar más consejos sobre el refresco de polvo aquí.

El ejemplo

El diseño del engranaje tiene un volumen de aproximadamente 100 cm³. Suponiendo que dos litros de polvo (1 kg) tienen 2000 cm³, queda aproximadamente 1.8 l de polvo no sinterizado para usar. La cantidad no es de 1.9 l porque el proceso de impresión 3D SLS hace que el polvo sinterizado duplique su densidad, por lo que el volumen final del diseño es de hecho de 200 cm³. Con la ayuda de las herramientas y dispositivos de postprocesamiento de polvo, los 1.8 l restantes (casi un kilogramo) de polvo pueden ser recuperados y utilizados nuevamente después de agregar el porcentaje adecuado de polvo fresco. En conclusión, en el caso del diseño del engranaje, 1 kg de polvo podría producir varios lotes más de ese diseño.

Conclusiones

Las impresoras compactas de SLS 3D ofrecen una excelente rentabilidad cuando se trata de producir lotes pequeños. La inversión inicial en materiales para la impresión es relativamente baja siempre que se sigan ciertas reglas de posicionamiento, empaquetado de la cama y refresco del polvo.

Como se muestra en el ejemplo del diseño del engranaje impreso con la impresora Sinterit Lisa X y el polvo PA12 Industrial, 1 kg de polvo puede producir múltiples lotes del diseño con 8 piezas posicionadas de manera óptima, con una densidad de empaquetado del 7 % en la cama de impresión.