A trecut mai mult de un an de la expirarea brevetului lui Carl Deckard („Metodă şi aparat pentru producerea pieselor prin sinterizare laser”, Brevet U.S. 4,863,538, înregistrat la 17 octombrie 1986 şi publicat pe 5 septembrie 1989) şi am încercat să aflu dacă domeniul fabricației aditive (FA) a profitat de acest lucru.
Procedeul de FA prin sinterizare laser selectivă (SLS – Selective Laser Sintering, schema de principiu este prezentată în foto 1), se bazează pe utilizarea unui fascicul laser (de exemplu, CO2 sau Nd:YAG, cu putere între 50-200W) pentru topirea superficială, locală, a unui material nemetalic sau metalic sub formă de pulbere. În acest sens SLS se deosebește de procedeul SLM (Selective Laser Melting), care presupune topirea selectivă totală a granulelor de pulbere.
Pulberile metalice sunt compuse din două componente: metal (cu punct de topire ridicat) și liant (cu punct de topire scăzut), în zona în care fasciculul laser intră în contact cu materialul producându-se topirea liantului care fixează particulele metalice.
Dimensiunile granulelor de pulbere sunt de obicei între 50-100μm. Pentru ca piesa finală să fie în întregime metalică, după extragerea din mașină ea este introdusă într-un cuptor unde se continuă sinterizarea efectivă prin arderea liantului organic și difuzarea unele în altele a granulelor metalice din componența piesei.
Numeroase cercetări sunt concentrate asupra diverselor aspecte legate de parametrii procesului SLS și de influența pe care aceștia o au asupra piesei finale, proprietățile materialului și parametrii geometrici ai piesei fiind dependenți de cantitatea de energie emisă către stratul de pulbere.
Carl Deckard a dezvoltat acest procedeu pentru teza sa de master de la University Texas din Austin (în 1984), iar împreună cu Joe Beaman, profesorul său coordonator, au înființat ulterior compania DTM Corporation (pentru cei interesați, informații suplimentare pot fi găsite la adresa: http://www.me.utexas.edu/news/2012/0712_sls_history.php).
FOTO 1. Schema de principiu a procedeului SLS
Prima mașină care utiliza acest procedeu pentru obținerea de prototipuri a fost Sinterstation 2000 (foto 2). Compania DTM a fost cumpărată în 2001 de 3D Systems, modelul actual de mașină SLS, de top al acestei firme, fiind ProX500 (spațiu de lucru: 381x330x457mm, grosimea stratului: 0,08-0,15mm), destinată fabricării pieselor din material plastic cu o calitate asemănătoare celor obținute prin injecție în matriță (figura 3).
- FOTO 2. Mașina Sinterstation 2000 (DTM Corp)
- FOTO 3. ProX500 SLS (3D Systems)
Revenind la ,,democratizarea’’ SLS, poate că este încă prea devreme, dar rezultatele căutărilor mele au fost departe de ceea ce așteptam, prin comparație cu avântul manifestat rapid după expirarea brevetului legat de FA prin depunere de filamente de material. Astfel, nu am reușit să identific prea multe firme care au dezvoltat deja sau care anunță că vor scoate pe piață mașini SLS la prețuri (relativ) scăzute. În continuare le voi prezenta, pe scurt, pe cele care mi s-au părut profesioniste și cu potențial de a dezvolta produse de calitate.
Un exemplu este firma Sinterit (www.sinterit.com), prezentă în septembrie și la Euromold 2015, care a dezvoltat mașina Sinterit Lisa având următoarele caracteristici:
- Spațiu de lucru: 150x200x150mm
- Grosimea stratului pulbere: 0,06-0,15mm
- Precizie: 50μm (în planul xy) și 10μm (pe axa z)
- Preţ: 8000$.
Firma Sintratec (http://sintratec.com/) oferă un kit de mașină SLS la prețul de 5.277$, dar până acum nu am reușit încă să intru în posesia unor informații de la utilizatori referitoare la mașină și la calitatea obiectelor produse. Maşina Sintratec (foto 4) are un spațiu de lucru de 130x130x130mm, dimensiunea granulelor de material (PA12 negru) este de 40-80μm, precizia 0,05mm în planul x-y și 0,1mm pe axa z, viteză de printare: 70mm/s.
Alte două mașini SLS de tip low-cost, Ice1 și Ice9, anunțate de firma Norge Systems pentru 2015 (www.norgesystems.com) și promovate fără succes pentru finanțare pe site-ul Kickstarter, au fost oprite pentru moment din dezvoltare, firma fiind achiziționată de grupul francez Gorge (http://www.groupe-gorge.com). Se speră că astfel vor fi disponibile resursele financiare pentru ca mașinile proiectate să intre în producție de serie. Norge anunțase un preț estimativ pentru mașinile lor de 13.000$.
Cum se pare că low-cost în cazul SLS înseamnă mai degrabă sub 15-20.000$, față de 5.000$ pentru mașinile tip FDM, în această categorie am inclus și mașina Polyforge SLS 3D, care costă 20.000$, dar și mașina Sharebot SnowWhite (foto 5) de la firma Sharebot Srl (www.sharebot.it). Câteva dintre caracteristicile pentru SnowWhite pe care le-am găsit pe site-ul firmei italiene se referă la spațiul de lucru de 100x100x130mm și la materialul de construcție PA12.
- FIGURA 4. Mașina Sintratec SLS
- FIGURA 5. Mașina Sharebot SnowWhite SLS
Concluzia mea, cel puțin până acum, este că efectul expirării brevetului pentru SLS nu a influențat piața FA, doar câteva variante de mașini sub 20.000$ fiind deocamdată dezvoltate (unele dintre ele doar ca prototipuri), iar gama de materiale este și ea extrem de redusă. Și tot în aceeași notă a interesului pentru evoluția domeniului, închei prin a menționa că la finalul anului viitor va expira brevetul celor de la ZCorp referitor la procedeul și mașinile 3D Printing. Să vedem ce va urma...
English summary
The article analysis the impact of the Selective Laser Sintering (SLS) process patent expiration in 2014 over the additive manufacturing (AM) market, especially on the development of lower price SLS machines, as it was the case with the machines using AM filament deposition process.
Diana Popescu este dr.ing., UPB, Facultatea IMST, Departamentul MSP.
