SLS - Sinterizado por láser selectivo

El sinterizado por láser selectivo, o SLS, nació como una posible solución para un problema de diseño: ¿Cómo se crea un prototipo sin tener que esperar varios meses, como ocurre con los procesos de fabricación tradicionales? ¿Cómo hacer copias directamente desde un archivo CAD (diseño asistido por ordenador)? 

La persona que se planteaba estas preguntas era Carl Deckard, estudiante de ingeniería mecánica de la Universidad de Texas en Austin, en los años 80. Él sería el que finalmente patentara la tecnología. Deckard desarrolló el sistema con ayuda de su profesor Joe Beaman, con el respaldo de una beca de 30 000 dólares de la National Science Foundation. 

Inicialmente, el SLS se planteó como una forma de dar solución al problema de los prototipos instantáneos, algo para lo que sigue siendo esencial, pero también se ha convertido en una alternativa a los métodos tradicionales de fabricación, como el moldeo por inyección, en el caso de producciones de bajo volumen.

 

El SLS es un tipo de tecnología de impresión 3D por fusión de lecho de polvo (PBF). En el SLS, un láser de alta potencia dibuja cada capa en un lecho de polvo, normalmente de nailon. El láser sinteriza las partículas de polvo para formar estructuras sólidas. Cuando se termina una capa, la placa de construcción se baja ligeramente y un recubridor de polvo distribuye más polvo sobre la capa anterior. Se trata de una tecnología de alta precisión, con unos espesores de capa de entre 50 y 200 micrómetros.

Una vez realizadas las impresiones, el operador de la máquina debe retirarlas y limpiarlas de polvo. Es posible reciclar la mayor parte del polvo no utilizado, mezclándolo con polvo nuevo; otra de las ventajas del SLS. Sin embargo, es más eficiente imprimir tantas piezas como puedan encajar en la cámara de una vez.

SLS es una de las formas más eficientes de impresión 3D disponibles. Está diseñado para un uso profesional e industrial, y las soluciones más asequibles empiezan en torno a los 6000 dólares. Se necesitan máquinas de posprocesamiento, como estaciones de limpieza de polvo y tamices de polvo para cubrir todo el flujo de trabajo. Sus principales aplicaciones siguen siendo la fabricación rápida de prototipos, aunque algunas empresas también usan la tecnología para tiradas de producción limitadas.

El SLS tiene unas características especiales que hacen que sea superior al modelado por deposición fundida (FDM) o la estereolitografía (SLA) para determinadas aplicaciones. La primera de ellas, es el hecho de que las piezas se imprimen dentro de una cámara de construcción llena de polvo. El polvo es su propio material de soporte, lo que elimina la necesidad de estructuras de soporte. Esto significa que es posible imprimir geometrías increíbles que sería imposible producir con FDM o SLA, incluidas piezas móviles funcionales que no requieren montaje. 

Otra característica clave del SLS es que la resolución de las piezas terminadas es de alta calidad, aunque las superficies tienen una textura ligeramente granular, parecida a una lija muy fina. Esta porosidad se traduce en objetos que son fáciles de teñir de muchos colores.

Los modelos terminados también son isotrópicos, lo que significa que tienen resistencia en todas direcciones (al contrario de lo que ocurre con las impresiones anisotrópicas de tecnologías como FDM). Las piezas SLS tienen buenas propiedades mecánicas, al mismo nivel que los elementos moldeados por inyección. En algunos casos, la impresión 3D SLS puede ser superior al moldeo por inyección, dado que no se requiere un molde que requiere tiempo. Además, las impresiones SLS no requieren ángulos de desmoldeo ni están sujetas a otras limitaciones de diseño del moldeo por inyección. Para los objetos pequeños que se fabrican en tiradas de producción limitadas (entre 500 y 1000 unidades), SLS puede ser una alternativa viable a la fabricación tradicional.

En lo que se refiere a sus desventajas, aunque el SLS es más rápido que la fabricación tradicional de principio a fin, sigue siendo lento en comparación con otros métodos de fabricación aditiva. La cámara de construcción entera se puede calentar hasta justo por debajo del punto de fusión del plástico antes de la impresión, y después debe poder enfriarse varias horas antes de retirar las impresiones. También los tiempos de impresión pueden ser demasiado largos y todos los pasos del posprocesamiento (limpieza del polvo, arenado, etc.) pueden llevar también mucho tiempo. 

El proceso de impresión también tiene una cierta complejidad. Un exceso de sinterizado, cuando el calor retenido no puede liberarse adecuadamente, puede afectar a detalles pequeños que dañan la impresión. Unas paredes impresas más finas pueden mitigar el problema, al disipar antes el calor. Es importante señalar que las piezas se imprimen huecas y requieren orificios de escape de al menos 5 mm para poder liberar el polvo.

Por último, la mayor desventaja de la impresión 3D SLS es, sobre todo, su coste. Las máquinas son caras y los sistemas de nivel industrial cuestan alrededor de los 200 000 dólares. A pesar de ello, los precios están bajando, y ahora los precios de las impresoras 3D SLS más baratas rondan los 6000 dólares.

 

Las impresoras 3D SLS utilizan, principalmente, polímeros termoplásticos en polvo, de los cuales la familia más común y versátil es la de la PA (poliamida), también llamada «nailon». El polvo con base de PA estándar puede incorporar aditivos como aluminio, fibra de carbono y fibra de vidrio.

Otros polvos compatibles con el SLS son el TPE (elastómero termoplástico) y el TPU (poliuretano termoplástico), los plásticos como goma y el PP (polipropileno), un material resistente a las sustancias químicas.

La impresión 3D SLS es útil en diversas industrias. Las empresas de automoción y aeroespacial lo utilizan para la fabricación de prototipos, soportes y alojamientos. Algunas aplicaciones concretas son las siguientes:

La empresa Ford Motor Company adoptó la impresión 3D incluido el SLS, en los inicios de la tecnología, en los años 80. Desde entonces, Ford calcula que su laboratorio de impresión 3D interno ha fabricado medio millón de piezas que se han utilizado en los ensayos de prototipos y ha conseguido un ahorro de miles de millones de dólares. Para imprimir piezas metálicas, Ford utiliza una tecnología muy próxima, la SLM (fusión selectiva por láser), similar al SLS, pero que se usa para crear piezas metálicas mediante un proceso de fusión a altas temperaturas.

En un ejemplo de fabricación lista para usar, Porsche Classic utiliza el SLS para fabricar recambios de plástico para algunos de sus coches clásicos raros. La empresa considera que imprimir estas piezas en 3D bajo demanda es la única forma práctica de proporcionar recambios a vehículos que ya no se fabrican.

Node-Audio aprovechó la capacidad de imprimir geometrías complejas en 3D del SLS para construir una caja de altavoz de alta fidelidad en una sola pieza. El innovador armario impreso en 3D tiene una estructura helicoidal dentro de la cual el sonido se mueve en espiral durante 1,6 metros, para recrear una experiencia de audición de música en directo.

 

Al igual que ocurre con otras muchas tecnologías de impresión 3D, los ámbitos que admiten una mayor mejora se encuentran en la diversidad material y los costes de hardware. El problema del coste es incluso más importante con el SLS, pero los fabricantes han hecho grandes avances en los últimos años. No hace tanto que las máquinas SLS tenían precios de seis cifras, y ahora hay muchas empresas que ofrecen opciones por debajo de los 20 000 dólares. Cabe pensar que los precios bajarán aún más para las pequeñas empresas en los próximos años.

Hasta entonces, los diseñadores interesados en utilizar el sinterizado por láser selectivo para sus modelos 3D pueden probar con los servicios de impresión bajo demanda.