Druk 3D z proszków — SLS i SLM w praktyce

Wprowadzenie do druku 3D z proszków

Druk 3D z proszków to gałąź przyrostowych technik wytwarzania, która zyskuje na znaczeniu w przemyśle dzięki możliwości tworzenia skomplikowanych kształtów, funkcjonalnych detali i elementów bez typowych ograniczeń obróbki tradycyjnej. Najbardziej rozpowszechnione metody w tej grupie to SLS (Selective Laser Sintering) oraz SLM (Selective Laser Melting), które wykorzystują wiązkę lasera do lokalnego spiekania lub topienia warstw proszku.

W praktyce druk 3D z proszków oznacza pracę z cienkimi warstwami materiału sypkiego, precyzyjne sterowanie energią i ścieżkami lasera oraz konieczność kontroli parametrów takich jak temperatura komory, rozkład cząstek i recykling proszku. To rozwiązanie łączy zalety elastyczności projektowej z potencjałem produkcji seryjnej w zastosowaniach przemysłowych.

Podstawy technologii: jak działają SLS i SLM

Obie metody — SLS i SLM — są typowymi przedstawicielami procesu zwanego Powder Bed Fusion (PBF). W praktyce polega to na równomiernym rozsypaniu cienkiej warstwy proszku, następnie selektywnym jego spiekaniu lub stopieniu poprzez wiązkę lasera zgodnie z przekrojem cyfrowego modelu, a na końcu powtarzaniu procesu warstwa po warstwie aż do uzyskania finalnej części.

Różnica leży w stopniu dostarczanej energii i efekcie mikrostrukturalnym: SLS stosuje niższą energię, co prowadzi do spiekania cząstek (częściowo zespajają się, tworząc porowatą strukturę), natomiast SLM topi proszek całkowicie, co pozwala uzyskać dużo gęstsze i wytrzymalsze elementy metalowe. W obu przypadkach kluczowe są parametry takie jak moc lasera, prędkość skanowania, grubość warstwy i temperatura komory.

Różnice praktyczne między SLS a SLM

W praktycznych zastosowaniach SLS jest najczęściej wykorzystywany do tworzenia elementów z tworzyw sztucznych (np. poliamidów takich jak PA12), części funkcjonalnych, prototypów użytkowych oraz narzędzi i osłon. Jego zaletą jest brak potrzeby stosowania rozbudowanych podpór (części są podpierane przez nie zestalony proszek), co ułatwia produkcję skomplikowanych kształtów.

Z kolei SLM to technologia dominująca w metalowym druku 3D — używana do produkcji elementów lotniczych, medycznych implantów czy narzędzi o wysokich wymaganiach wytrzymałościowych. Elementy powstające w SLM cechuje wysoka gęstość, lepsze właściwości mechaniczne, ale wymagają one częściej podpór, kontroli naprężeń resztkowych i obróbki cieplnej po wydruku.

Materiały i właściwości proszków

Kluczowym aspektem druku 3D z proszków jest jakość i charakterystyka proszku. Dla technologii SLS najpopularniejsze są proszki poliamidowe (PA12, PA11), poliamidy z wypełnieniem szklanym, TPU (materiał elastyczny) czy kompozyty. W przypadku SLM dominują stopy metali: aluminium, tytan, stal nierdzewna, kobalt-chrom oraz specjalistyczne superstopy.

Parametry wpływające na jakość druku to wielkość i rozkład cząstek, sferyczność, gęstość nasypowa, wilgotność oraz zdolność do przepływu proszku. Równie ważne jest postępowanie z proszkiem po wydruku — recykling i mieszanie używanego proszku z świeżym normuje właściwości procesu i bezpieczeństwo. W kontekście przemysłowym kontrola jakości partii proszku jest często elementem certyfikacji procesu.

Proces produkcyjny i postprocessing

Proces od projektu do gotowej części w technologii PBF obejmuje kilka krytycznych etapów: przygotowanie modelu (w tym optymalizacja geometrii i orientacji), przygotowanie pliku do druku, samo drukowanie, usuwanie nadmiaru proszku (depadowanie), obróbki cieplne oraz wykończenie powierzchni. Każdy z tych kroków wpływa na koszt i jakość finalnego produktu.

Postprocessing różni się w zależności od materiału i wymagań funkcjonalnych: obróbka cieplna (HT) jest standardem w metalach, aby zredukować naprężenia resztkowe; piaskowanie, polerowanie, lakierowanie czy powlekanie są powszechne w elementach z tworzyw. W SLM często konieczne jest usunięcie podpór mechanicznie i wykończenie skrawaniem dla osiągnięcia tolerancji wymiarowych.

Praktyczne wskazówki projektowe

Projektowanie pod SLS i SLM różni się od tradycyjnych metod. Najważniejsze zasady to minimalizowanie cienkich ścian, kontrola grubości ścianki, optymalizacja orientacji części w komorze oraz przewidzenie miejsca na skurcz lub deformacje. W przypadku SLM trzeba także uwzględnić rozmieszczenie podpór i możliwość wystąpienia naprężeń termicznych.

Poniżej znajduje się lista praktycznych zaleceń, które pomogą uniknąć typowych problemów przy projektowaniu:

• Optymalna orientacja części — zmniejsza ilość podpór i poprawia wykończenie powierzchni.
• Minimalna grubość ścianki — dla SLS zazwyczaj ≥ 0,8–1,0 mm, dla SLM zależnie od materiału i wymagań.
• Dodawanie promieni i zaokrągleń — redukuje koncentracje naprężeń i poprawia przepływ proszku.
• Uwaga na detale i tolerancje — przewiduj zabiegi poobróbkowe dla precyzyjnych otworów i gniazd.

Zastosowania przemysłowe i przykłady

Technologie SLS i SLM znalazły zastosowanie w wielu branżach: motoryzacja (komponenty funkcjonalne, narzędzia montażowe), lotnictwo (lekkie i wytrzymałe osprzęty), medycyna (implanty, protezy precyzyjne), przemysł energetyczny (dysze, chłodnice) oraz przemysł narzędziowy. Każde z tych zastosowań korzysta z możliwości projektowania topologicznego i redukcji masy bez utraty wytrzymałości.

Przykładowo, SLM pozwala na produkcję skomplikowanych części tytanowych dla lotnictwa o znacznie zmniejszonej masie, a SLS umożliwia szybkie wytwarzanie narzędzi i osłon do linii produkcyjnych, które są odporne na zużycie i łatwe do modyfikacji. Coraz częściej oba rozwiązania pojawiają się również w produkcji krótkoseryjnej i personalizacji produktów.

Ekonomia, bezpieczeństwo i przyszłość technologii

Decyzja między SLS a SLM często sprowadza się do wymagań materiałowych, kosztów i wolumenu produkcji. SLS jest zwykle bardziej ekonomiczny dla tworzyw i krótkich serii, zaś SLM — choć droższy — opłaca się przy częściach wymagających wysokich właściwości mechanicznych. Koszty drukarek, proszków, czasu pracy i postprocessingu trzeba brać pod uwagę przy kalkulacji jednostkowej ceny.

Bezpieczeństwo pracy z proszków obejmuje kontrolę pyłów, odpowiednią wentylację, ochronę przed eksplozją (dla niektórych materiałów) oraz zarządzanie odpadami i recyklingiem. Przyszłość technologii to lepsze materiały proszkowe, bardziej energooszczędne źródła laserowe, automatyzacja postprocessingu i rozwój hybrydowych procesów łączących zalety przyrostu i obróbki skrawaniem. Dla firm oznacza to rosnące możliwości produkcji części o zoptymalizowanej funkcji przy coraz niższych kosztach jednostkowych.

Podsumowując, druk 3D z proszków — reprezentowany przez SLS oraz SLM — to potężne technologie umożliwiające produkcję skomplikowanych, funkcjonalnych i często lekkich elementów. Wybór odpowiedniej metody zależy od oczekiwań dotyczących materiału, właściwości mechanicznych, kosztów i skali produkcji. Dobre zrozumienie zasad projektowania i postprocessingu pozwala maksymalnie wykorzystać potencjał tych technologii.