Historia SLS

0

SLS (Selective Laser Sintering) to profesjonalna technologia druku 3D polegająca na spiekaniu w wysokich temperaturach sproszkowanych polimerów. Proces ten polega na rozprowadzaniu warstw sproszkowanego materiału, a następnie selektywnym spiekaniu go warstwa po warstwie aż do momentu uzyskania gotowego modelu przestrzennego. Wraz z DMLS jest jedną z najdroższych oraz najbardziej skomplikowanych technologii przyrostowych dostępnych na rynku. W przeciwieństwie do niej niewykorzystane fragmenty materiału stanowią naturalną podporę.

Obecnie metoda ta kojarzy się z dużymi maszynami przemysłowymi technologicznych gigantów takich jak 3D System, EOS czy Stratasys. Trzeba wiedzieć, że historia SLS liczy sobie blisko 40 lat. Kto zatem stoi za ogromnym sukcesem komercyjnym tych firm oraz jak wyglądały początki technologii?

Za ojca druku 3D uważa się Charlesa Hulla, natomiast osobami, które włożyły najwięcej starań w tworzenie SLS na jej początkowym etapie są Carl Deckard, Joe Beaman oraz Paul Forderhase. Opracowana przez nich technologia wyprzedzała swoim zaawansowaniem i innowacją czasy, w których powstawała. Jej historia jest pełna wzlotów i upadków, a jej potencjał zaczął być doceniany około 30 lat po jej wynalezieniu.

sls-deckard-beaman-forderhase-500x318

Początki SLS sięgają roku 1971, kiedy Pierre A. L. Ciraud opisał metodę produkcji wyrobów o dowolnej geometrii poprzez dodawanie materiału w postaci proszku, wykorzystując w tym celu porcję energii (Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung beliebiger Gegenstande aus beliebigem schmelzbarem Material, DE 2263777, data złożenia: 28. grudnia 1971, data publikacji 5 lipca 1973). Wynalazek ten pozwalał na produkcję części o niezwykle kompleksowym kształcie bez potrzeby odlewania w formach.

Osobą, która jako pierwsza złożyła wniosek patentowy na system warstwowego formowania obiektów przy pomocy lasera spiekającego materiał był Ross Housholder. Zainspirowały go do tego morskie fale nanoszące piasek, które widział w trakcie drogi do pracy. Niestety patent na określany przez niego „molding process” (US Patent 4247508, data złożenia: 3. grudnia 1979, data publikacji: 27. stycznia 1981) nigdy nie został skomercjalizowany, ani nawet doprowadzony do fazy testów z powodu braku funduszy.

Na grafice przewodniej zawarte są dwie ryciny. Rysunek po lewej stronie przedstawia opis działania pierwszego urządzenia w technologiach przyrostowych autorstwa Ciraudsa, natomiast ilustracja po prawej stronie pokazuje technologię opisaną przez Housholdera.

Po pierwszym roku studiów (1981 r.) na University of Texas w Austin Carl Deckard rozpoczął wakacyjną pracę w firmie TRW Mission w Houston przy produkcji części dla sektora naftowego. Wykorzystywano tam do cięcia komputerowy system sterowania, oparty na modelach CAD 3D. Mimo że większość odlewów wciąż wykonywana była ręcznie, student zobaczył duży potencjał w automatyzacji tego procesu, wykorzystując jako bazę model komputerowy i przez dwa najbliższe lata skupił się na zgłębianiu tego zagadnienia.

W 1984 r. stworzył koncepcję, która polegała na tym, by użyć promieniowania laserowego lub wiązki elektronów do selektywnego przetapiania warstw sproszkowanego materiału by tworzyć części lub modele bezpośrednio z rysunków CAD. Pomysł ten zainteresował doktora Joe Beamana z University of Texas. Zdecydował się pomóc młodemu Deckardowi i zaproponował mu studia magisterskie na tej samej uczelni. W tym czasie zmieniano siedzibę wydziału mechanicznego, co wiązało się z otrzymaniem dofinansowania na profesjonalny sprzęt. Po semestrze starań okazało się, że Deckard otrzyma stuwatowy laser YAG wart 30.000 $. Czekając na wyposażenie uzmysłowił sobie, że może kontrolować wiązkę przy użyciu popularnego w tamtym czasie komputera osobistego – Commodore 64.

W 1986 r. Deckard obronił swoją pracę magisterską i rozpoczął doktorat. Wraz z Beamem otrzymali dofinansowanie w wysokości kolejnych 30.000 $ od National Science Foundation, które pozwoliło im na stworzenie maszyny o nazwie Betsy. Dodano w niej rolkę pozwalającą na równomierne osadzanie proszku. Przy użyciu tego sprzętu można było wykonać części nadające się do wykorzystania w odlewnictwie.

Betsy

Betsy

Pod koniec roku 1986 r. na UT zgłosiło się dwóch biznesmenów z Austin – dr Paul F. McClure i Harold Blair zainteresowanych skomercjalizowaniem wynalazku Carla Deckarda. Wraz z grupą badaczy utworzyli firmę Nova Automations. Mimo że Deckard ocenił wartość stworzonej przez siebie technologii SLS na 75.000 $, to Beaman ocenił tę kwotę na 150.000 $, a McClure z kolei jeszcze podwoił tę sumę. Reprezentanci University of Texas zaakceptowali tę kwotę i przyznali firmie Nova Automation licencję na rozwijanie technologii SLS, pod warunkiem, że do końca 1988 r. firma zbierze fundusze w wysokości 300.000$ na pokrycie kosztów prowadzonych badań.

Ostatecznie Nova Automation pozyskało finansowanie od giganta z branży chemicznej i lotniczej – Goodrich Corp pod koniec 1988 r.

SLS

W 1987 r. Carl Deckard i Paul Forderhase (również student Joego Beamana) pracowali nad kolejną drukarką 3D, którą nazwali Godzilla. Aby uzyskać wystarczająco wysoką temperaturę i ciśnienie wewnątrz komory roboczej, maszyna ta wymagała włożenia wielkiego wkładu finansowego. Z tego powodu koncepcja wymagała wielu zmian. Produkcja samego zbiornika sprężonego powietrza miała kosztować 50.000$, a jej produkcja zajęłaby ponad pół roku.  Z tego powodu Godzilla nigdy nie powstała, a jej koncept musiał zostać przeprojektowany.

Po modyfikacjach Godzilli, stworzono maszynę laboratoryjną nazwaną Bambi (było to nawiązaniem do filmu Bambi Meets Godzilla„), która była wyposażona we własny zintegrowany system CAD – „Stanley CAD”. Dzięki pomocy dwóch specjalistów z dziedziny polimerów i technologii laserowych –  Joela Barlow i Dave’a Bourell, Bambi wniosła wiele udoskonaleń w rozwoju technologii SLS i przez długie lata służyła na University of Texas jako maszyna eksperymentalna i produkcyjna.

Kolejnym etapem była produkcja trzech komercyjnych maszyn SLS – 125, Mod A i Mod B. Nazwę firmy zmieniono na DTM Corp., która była nawiązaniem do „Desk Top Manufacturing”, czyli określenia, które stosowano wtedy do nazywania procesu produkcyjnego przy użyciu CAD.

Osoby, które czuwały nad projektem nowego sprzętu to: Jerry P. z GEMCITY Engineering and Manufacturing w Dayton, w stanie Ohio, który nie był co prawda inżynierem, jednak jego znajomość mechaniki i projektowania pozwoliła mu stworzyć odpowiedni plan jedynie przy użyciu papieru i ołówka. Tim O’Meara został dyrektorem sprzedaży, Jim Darrah pracował nad oprogramowaniem do 125, natomiast Beaman, Deckard oraz Dave Cutherell (kolejny student doktora) nadzorowali projekt od strony inżynieryjnej.

sls_paul_forderhase_125_mach_312x209

Praca nad Mod A zaczęła się w połowie 1989. Inżynierom zależało na czasie – chcieli zaprezentować swoją drukarkę 3D na corocznych targach Autofact w Detroit. Pośpiech i nieodpowiednie testowanie sprzętu doprowadziło do jego awarii, jednak ekipa z DTM Corp. zdążyła z premierą swojego urządzenia, które spotkało się ze sporym zainteresowaniem. Pierwszą osobą, która zakupiła Mod A był Frank Zanner z Sandia National Laboratories. Maszyna została użyta do wyprodukowania obudowy na metalowe części. Do 1991 r. DTM zbudowała 5 kolejnych maszyn nazwanych BETA, które były zbyt skomplikowane jak na tamte czasy i nie osiągnęły sukcesu komercyjnego.

sls-beta_machine_1992_312x261

W 1992 DTM zwrócił się do firmy Product Genesis z propozycją stworzenia zupełnie nowej linii maszyn drukujących w technologii SLS –  SinterStation 2000 o średnicy cylindrycznej komory roboczej 300 i  wysokości 380 mm, które były prawdziwą rewolucją i doczekały się szeregu kolejnych wersji.

Przełomowy okazał się rok 2001, kiedy 3D Systems przejęło DTM, zyskując w ten sposób nową technologię do swojego portfolio. Inwestycja ta uczyniła firmę liderem na rynku cyfrowych technologii przemysłowych. Jednocześnie w tym czasie 3D Systems rozpoczął spór patentowy z europejskim producentem maszyn EOS, który od 1989 r. pracował nad rozwojem technologii SLA i SLS. Sytuację tę rozwiązała transakcja wymiany i sprzedaży wszystkich patentów do technologii SLA opracowanych EOS i zaniechania dalszej produkcji maszyn SLA, przy jednoczesnym otrzymaniu od 3D Systems podstawowych patentów niezbędnych do rozwoju technologii SLS przez EOS. Po tej decyzji EOS stał się kluczowym producentem i liderem na rynku systemów produkcyjnych SLS i przede wszystkim systemów do bezpośredniego laserowego przetapiania metali – DMLS.

Źródło: www.me.utexas.edu

Udostępnij.

O autorze

Paulina Winczewska

Germanistka, pasjonatka nawet najdziwniejszych i najtrudniejszych języków obcych oraz podróży i eksperymentów kulinarnych. Tłumaczka, która nie boi się nowych technologii i gadżetów. Wolny czas spędza zazwyczaj na pływalni.