Синтез полимеров на подложке (Powder Bed Fusion) – Выборочное лазерное спекание (SLS)

SLS (Selective Laser Sintering) — технология аддитивного производства, использующая мощный CO₂-лазер для послойного спекания частиц термопластичного полимерного порошка. Относится к классу Powder Bed Fusion (синтез на подложке) согласно классификации ISO/ASTM.​

Технология SLS 3D-печати
Образцы SLS 3D-печати

Принцип работы технологии SLS

Процесс печати

  1. Предварительный нагрев — Рабочая камера и весь объем порошка нагреваются до температуры, близкой к точке плавления материала (обычно 160–180°C для PA12). Это снижает энергозатраты лазера и предотвращает деформацию детали при охлаждении.​
  2. Нанесение слоя — Специальный валик (ракель) или лезвие подает тонкий слой порошка (толщиной 75–175 мкм) из камеры подачи в рабочую зону построения.​
  3. Лазерное спекание — CO₂-лазер мощностью 30–100 Вт сканирует контур слоя, избирательно нагревая и сплавляя частицы порошка в монолитную структуру. Лазер движется по схеме “точка-точка” с помощью системы гальванометрических зеркал, которые направляют луч с высокой точностью.​
  4. Опускание платформы — После завершения слоя рабочая платформа опускается на толщину одного слоя.​
  5. Повторение цикла — Процесс повторяется до полного построения всех деталей в камере.​
  6. Охлаждение — После завершения печати камера медленно остывает (4–12 часов для крупных принтеров) для предотвращения растрескивания деталей.​
  7. Извлечение и очистка — Деталь извлекается из “порошкового пирога” (part cake), очищается сжатым воздухом или пескоструйной обработкой.​

Ключевые особенности SLS

Печать без поддержек

Главное преимущество SLS — отсутствие необходимости в опорных структурах. Неспеченный порошок выполняет роль естественной поддержки, удерживая нависающие элементы и сложные внутренние полости. После печати этот порошок просто высыпается и может быть повторно использован (обычно смешивается с первичным порошком в пропорции 30–50%).​

Эффективное использование объема

Детали можно размещать плотно друг к другу и даже одна внутри другой (например, печать готовых подвижных шарниров или матрешек за один цикл). Это позволяет максимально заполнить рабочую камеру и снизить стоимость единицы продукции при мелкосерийном производстве.​

Материалы для SLS-печати

Основные порошковые полимеры:

PA12 (Полиамид 12 / Нейлон) — самый популярный материал для SLS.​

  • Высокая прочность и ударная вязкость.
  • Химическая стойкость.
  • Хорошие трибологические свойства (низкое трение).
  • Применение: функциональные прототипы, производственные инструменты, конечные изделия.​

PA11 (Полиамид 11) — биооснованный материал (производится из касторового масла).​

  • Более гибкий и эластичный, чем PA12.
  • Высокая ударная вязкость при низких температурах.
  • Применение: гибкие шарниры, защитные кожухи.​

TPU/TPE (термопластичные эластомеры) — гибкие резиноподобные материалы.​

  • Эластичность, износостойкость.
  • Применение: прокладки, амортизаторы, подошвы обуви.​

Композиты:

  • PA12-GF (с добавлением стекловолокна) — повышенная жесткость и термостойкость.​
  • PA12-CF (с углеволокном) — максимальная прочность и жесткость.​
  • PA12-AL (с алюминиевым порошком) — металлический внешний вид, высокая теплопроводность.​

Преимущества технологии SLS

✅ Отсутствие поддержек — экономия материала и времени на постобработку.​

✅ Высокая прочность деталей — изотропные механические свойства (прочность одинакова во всех направлениях).​

✅ Сложная геометрия — тонкие стенки (от 0.7 мм), сетчатые конструкции, внутренние каналы.​

✅ Функциональность — детали пригодны для реального использования, выдерживают механические и термические нагрузки.​

✅ Рециркуляция материала — до 50% неспеченного порошка можно использовать повторно.​

✅ Малые и средние серии — рентабельно производить партии от 10 до 10 000 штук без оснастки.​

Недостатки

❌ Высокая стоимость оборудования — промышленные SLS-принтеры стоят от $100 000 (настольные модели типа Sinterit Lisa — от $15 000).​

❌ Дорогие материалы — цена порошка PA12 составляет $60–80 за 1 кг.​

❌ Шероховатая поверхность — детали имеют матовую зернистую текстуру, требуют пескоструйной обработки или окрашивания для гладкости.​

❌ Пористость — без дополнительной обработки детали могут иметь микропористость 3–5%.​

❌ Длительное охлаждение — после печати камера остывает 4–12 часов.​

❌ Сложность обслуживания — требуется контроль температурного режима, регулярная замена лазера (ресурс 10 000–20 000 часов).​

Сравнение SLS с другими технологиями

Параметр SLS FDM SLA
Материалы Полиамидные порошки Термопластичная нить Фотополимерные смолы
Поддержки Не требуются Обязательны Обязательны
Прочность Высокая (изотропная) Средняя (анизотропная) Низкая (хрупкость)
Точность ±0.3 мм ±0.5 мм ±0.05 мм
Поверхность Шероховатая (Ra 6–10 мкм) Слоистая Гладкая
Стоимость печати Средняя Низкая Средняя
Применение Функциональные детали Прототипы Высокодетализированные модели

Области применения

Промышленное производство

  • Функциональные прототипы для тестирования.
  • Малые серии конечных изделий (до 10 000 шт.).
  • Производственная оснастка (зажимы, приспособления).​

Автомобилестроение

  • Воздуховоды, кронштейны, корпуса датчиков.
  • Концепт-кары (нефункциональные панели кузова).​

Медицина

  • Ортопедические стельки, ортезы.
  • Хирургические шаблоны.
  • Протезы конечностей.​

Авиация и космонавтика

  • Легкие конструкционные детали с оптимизированной топологией.
  • Воздуховоды, кронштейны для спутников.​

Потребительские товары

  • Спортивная обувь (кастомные подошвы).
  • Оправы очков.
  • Корпуса электроники.​

SLS остается золотым стандартом для производства функциональных полимерных деталей методом 3D-печати, обеспечивая непревзойденное сочетание прочности, геометрической свободы и эффективности для малых и средних серий.

Другие технологии печати: