Quanto si può stampare con 1 kg di polvere SLS?

La stampa 3D SLS (Selective Laser Sintering) ha rivoluzionato il modo in cui vengono creati oggetti tridimensionali complessi, offrendo una libertà di progettazione senza pari e versatilità nella selezione dei materiali. Questa tecnologia innovativa impiega laser e materiali in polvere per costruire oggetti strato dopo strato, aprendo un mondo di possibilità per varie industrie, dalla prototipazione alla produzione.

La polvere SLS è tipicamente fornita in quantità ingenti, comunemente misurate in chilogrammi o litri. I fornitori tendono a offrire polveri SLS in varie dimensioni di confezione per soddisfare diverse esigenze degli utenti, che vanno dalle piccole quantità, come alcuni chilogrammi, a quantità più grandi, come decine o centinaia di chilogrammi. La scelta della quantità di polvere dipende dalla scala dei progetti di stampa 3D previsti e dalla frequenza di utilizzo del materiale.

Conoscere la capacità di stampa di 1 kg di polvere SLS ha numerosi vantaggi. Non solo consente agli utenti di ottimizzare le risorse e gestire meglio i costi, ma anche di pianificare e scalare meglio i progetti, nonché di ottimizzare la soddisfazione del cliente e ridurre i tempi di produzione. Il volume di 1 kg di polvere SLS può variare a seconda del materiale specifico utilizzato (la sua densità), ma come approssimazione generale, 1 kg di polvere SLS occupa spesso un volume di circa 2 a 2,5 litri. La domanda è: quanti pezzi o quanto grande può essere un pezzo con questa quantità di polvere SLS? La risposta dipende da molti fattori.

Quali fattori giocano un ruolo?

L'importo che può essere stampato con 1 kg di polvere SLS (Selective Laser Sintering) dipenderà principalmente dal materiale specifico della polvere, dalle dimensioni e dalla complessità del pezzo o dal livello desiderato di dettaglio. Tuttavia, ci sono tre fattori principali che dovrebbero essere considerati al momento della progettazione, della stampa e della post-elaborazione, al fine di ottenere il massimo da una determinata quantità di polvere SLS in un determinato progetto. Questi fattori sono:

1. Orientamento del pezzo.
2. Densità di imballaggio.
3. Aggiornamento della polvere.

Quanto può essere stampato in 3D con 1 kg di polvere SLS sarà dimostrato sull'esempio della PA12 Industrial polvere SLS di Sinterit e della stampante 3D SLS compatta Lisa X di Sinterit. Saranno presi in considerazione l'orientamento del pezzo, la densità di imballaggio e l'aggiornamento della polvere. Questo concetto verrà prima spiegato brevemente e quindi verrà discusso l'esempio di Sinterit, fornendo parametri di stampa specifici e risultati finali su quanto polvere è stata utilizzata.

Orientamento del pezzo

L'orientamento del pezzo è un aspetto critico della stampa 3D SLS che influisce significativamente sulla qualità delle parti stampate in termini di finitura superficiale, integrità strutturale (deformazione e distorsione) e proprietà meccaniche, così come sui requisiti di supporto. Tuttavia, l'orientamento del pezzo influisce anche sulla quantità di polvere necessaria per la stampa. Più alto è il pezzo/disposizione, più strati sono richiesti e quindi più polvere verrà utilizzata.

Raccomandazioni per l'orientamento del pezzo

Quando stampato piatto sul lato lungo, un cuboidale di 100 x 10 x 10 mm avrà solo 57-133 strati (a seconda della precisione scelta). Ma se lo stesso cuboide viene ruotato di 45º solo in Y, il numero di strati necessari per eseguire il pezzo aumenterà quasi sette volte. Questo potrebbe sembrare una perfetta opportunità per risparmiare materiale scegliendo un'orientamento orizzontale rispetto a uno verticale, ma facendolo, rischiamo di deformare e piegare il pezzo.

Man mano che le parti stampate in 3D si raffreddano dopo essere state stampate, i differenziali di temperatura possono portare a sforzi termici. Gli angoli di una parte tendono a raffreddarsi più velocemente dell'interno, causando restringimento non uniforme. Ciò può causare deformazioni, specialmente se il raffreddamento avviene rapidamente o se il materiale ha un alto coefficiente di espansione termica.

Si dovrebbe tenere presente che non ogni parte può essere stampata piatta a causa di potenziali problemi di deformazione e piegatura, e in tali casi dovrebbe essere scelto il miglior orientamento indipendentemente dagli strati e dal materiale che sarà necessario per costruire il pezzo.

Immagine 1: Raccomandazioni per l'orientamento del pezzo nella stampa 3D SLS. Fonte: Sinterit.

Le altre regole d'oro della posizionamento delle parti per i migliori risultati nella stampa 3D SLS includono:

1. Posizionare il modello nella parte inferiore centrale del piano di stampa (per una migliore distribuzione del calore) e aggiungere più modelli verso i bordi e dal basso verso l'alto.
2. I modelli dovrebbero anche essere distribuiti uniformemente (con spazi più grandi di 4 mm).
3. Modelli più piccoli possono essere posizionati all'interno di modelli più grandi per un'ulteriore ottimizzazione.
4. Sarebbe opportuno avere la stessa area di stampa in ogni strato, se possibile.
5. Se l'obiettivo è una superficie liscia, le parti dovrebbero essere posizionate rivolte verso il basso (le parti inferiori tendono ad essere le più lisce con la stampa 3D SLS).
6. Se sono richiesti bordi o dettagli nitidi, si dovrebbe fare l'opposto (parti rivolte verso l'alto).
7. Per ottenere l'accuratezza dimensionale nelle parti con fori, canali e aperture, quegli elementi dovrebbero essere posizionati parallelamente all'asse Z.
8. Lo stesso si applica alle parti mobili che dovrebbero anche avere uno spazio funzionale di gioco di 0,2-0,5 mm tra gli elementi mobili.

L'esempio

Oltre ai problemi di deformazione, per dimostrare quanto può essere stampato con 1 kg (2 l) di PA12 Industrial su Lisa X, verrà utilizzato un semplice design di ingranaggio. Per questo particolare design, un orientamento piatto è perfetto poiché garantisce nitidezza dei dettagli dell'ingranaggio, nonché una migliore distribuzione del calore verso l'alto attraverso i fori e le perforazioni. Questo rischio è anche ridotto a causa della forma cilindrica dell'ingranaggio poiché i cilindri non hanno angoli.

Immagine 2: Otto ingranaggi sono stati inseriti su un unico piano di stampa. Fonte: Sinterit.

Tutto ciò preso in considerazione, otto ingranaggi potrebbero essere inseriti grazie a un'organizzazione piatta. Una volta che il design è stato laminato con un'altezza dello strato di 0,125 mm, la quantità stimata di polvere necessaria si è attestata a circa 1,92 l (quindi leggermente meno di 1 kg). Inoltre, una volta completata la stampa, la polvere non sinterizzata doveva essere aggiornata per essere utilizzabile per ulteriori stampe. Questo processo richiedeva di aggiungere circa 0,54 l di polvere SLS fresca (circa 0,3 kg) alla polvere non sinterizzata raccolta.

Densità di imballaggio

La densità di imballaggio svolge un ruolo cruciale nella stampa 3D SLS poiché influisce sia sul costo che sulla qualità delle parti stampate. La densità di imballaggio si riferisce all'organizzazione delle parti all'interno della camera di stampa, determinando quanto strettamente siano impilate insieme. Una densità di imballaggio più alta significa che più parti possono essere stampate contemporaneamente, massimizzando l'utilizzo della polvere disponibile e riducendo i costi materiali per parte.

Immagine 3: Un piano di stampa imballato circa al 40 %. Fonte: Sinterit.

Inoltre, un'organizzazione più densa può migliorare il trasferimento di calore durante il processo di stampa, minimizzando la deformazione e promuovendo l'accuratezza dimensionale. Tuttavia, raggiungere un'alta densità di imballaggio richiede una considerazione attenta per garantire un utilizzo efficiente dello spazio mantenendo la qualità della stampa. Maggiori informazioni sulla densità di imballaggio sono disponibili in questo articolo di Sinterit.

L'esempio

Per il design dell'ingranaggio mostrato nell'Immagine 2, raggiungere una densità di imballaggio del 7 % nel piano di stampa ha permesso di ottenere un prezzo più basso per parte per quella stampa. La densità di imballaggio del 7 % corrisponde a un prezzo di 2,49 € per parte (per una stampante 3D Lisa X), e maggiore è la densità di imballaggio, più basso sarà il costo della parte.

Immagine 4: Una maggiore densità di imballaggio ottimizza l'uso della polvere e riduce il costo per parte. Fonte: Sinterit.

Il posizionamento più ottimale delle parti sulla piattaforma di costruzione può essere simulato dal software di laminazione. Questi strumenti possono ottimizzare la disposizione delle parti per ottenere una maggiore densità di imballaggio, considerando fattori come l'orientamento delle parti, il nesting e la minimizzazione dello spazio inutilizzato. L'analisi può fornire metriche quantitative come l'efficienza dell'imballaggio o la percentuale di utilizzo dello spazio.

Aggiornamento della polvere

A causa della natura del processo SLS, in cui solo il materiale utilizzato nella parte effettiva viene sinterizzato, la polvere non sinterizzata rimanente può essere raccolta, setacciata e miscelata con polvere fresca per mantenere un letto di polvere costante per stampe successive. Questo di solito viene fatto con l'aiuto di strumenti di polvere dedicati e stazioni di gestione della polvere. Alcune polveri necessitano di un tasso di aggiornamento fino al 60 % e altre non richiedono alcun aggiornamento.

Video 1: Aggiornamento della polvere SLS. Fonte: Sinterit.

Aggiornando ed riutilizzando efficacemente la polvere non sinterizzata, la stampa SLS diventa più conveniente dal punto di vista economico e più ecologica, riducendo gli sprechi di materiale e massimizzando l'utilizzo della polvere. L'aggiornamento della polvere aiuta a garantire condizioni di stampa ottimali, in quanto ripristina eventuali polveri esaurite e mantiene le caratteristiche desiderate della polvere come fluidità e distribuzione delle particelle. Altri consigli sull'aggiornamento della polvere possono essere trovati qui.

L'esempio

Il design dell'ingranaggio ha un volume di circa 100 cm³. Supponendo che due litri di polvere (1 kg) abbiano 2000 cm³, ci sono ancora circa 1,8 l di polvere non sinterizzata rimasta da utilizzare. L'importo non è di 1,9 l perché il processo di stampa 3D SLS fa raddoppiare la densità della polvere sinterizzata, quindi il volume finale del design è in realtà di 200 cm³. Con l'aiuto degli strumenti e dei dispositivi di post-elaborazione della polvere, i restanti 1,8 l (quasi un chilogrammo) di polvere possono essere recuperati e riutilizzati dopo l'aggiunta della percentuale adeguata di polvere fresca. In conclusione, nel caso del design dell'ingranaggio, 1 kg di polvere potrebbe produrre molte altre serie di quel design.

Conclusioni

Le stampanti 3D SLS compatte offrono un'eccellente convenienza economica quando si tratta di produrre piccoli lotti. L'investimento iniziale in materiali per la stampa è relativamente basso a condizione che vengano seguite determinate regole di posizionamento, imballaggio del letto e aggiornamento della polvere.

Come mostrato nell'esempio del design dell'ingranaggio stampato con la stampante Sinterit Lisa X e polvere PA12 Industrial, 1 kg di polvere può produrre molte serie del design con 8 parti posizionate in modo ottimale con una densità di imballaggio del 7 % sul letto di stampa.