تف یا پخت جوشی لیزری انتخابی (SLS) یا پخت لیزر انتخابی یک تکنیک تولید افزودنی (Additive Manufacturing) است که در آن با استفاده از یک لیزر به عنوان منبع انرژی مواد پودری (معمولاً نایلون / پلی آمید) را پخته و به هم متصل می کنند. این کار با هدف‌گیری نقاطی در فضا (که از یک مدل سه بعدی در رایانه بدست می آید) به‌طور خودکار و اتصال آن‌ها به یکدیگر به منظور تولید یک ساختار صلب صورت می‌گیرد. این روش شبیه به ذوب لیزری انتخابی (SLM) است؛ این دو روش در یک نگاه از یک مفهوم یکسان هستند اما در جزئیات فنی تفاوت دارند. روش ذوب لیزر انتخابی (SLM) شبیه به روش پخت لیزری انتخابی است، با این تفاوت که در SLM ماده به جای تف‌جوشی کاملاً ذوب می‌شود و خصوصیات متفاوتی نظیر ساختار کریستالی، تخلخل و غیره ایجاد می‌کند. SLS (و همچنین سایر تکنیک‌های ذکر شده AM) یک فناوری نسبتاً جدید است که تاکنون عمدتاً برای نمونه سازی سریع و برای تولید کم حجم قطعات کاملاً مورد استفاده قرار گرفته‌است. با پیشرفت تجاری در فناوری AM، نقش تولید در حال گسترش است.

تاریخ

تف‌جوشی لیزری انتخابی(SLS) توسط دکتر Carl Deckard و مشاور دانشگاهی، دکتر جو Beaman در دانشگاه تگزاس در آستین در اواسط دهه ۱۹۸۰ تحت حمایت مالی DARPA تهیه و ثبت شد. Deckard و بیمان نتیجتاً شرکت DTM را به منظور طراحی و ساخت ماشین آلات SLS تأسیس کردند. در سال ۲۰۰۱، 3D Systems، بزرگترین رقیب SLS و DTM، فناوری DTM را به دست آورد.جدیدترین اختراع ثبت شده در مورد فناوری SLS Deckard 28 ژانویه ۱۹۹۷ صادر شد و ۲۸ ژانویه ۲۰۱۴ منقضی شد.

فرایندی مشابه در سال ۱۹۷۹ توسط RF Housholder بدون آن که تجاری شود ثبت اختراع شد.

SLS نه به خاطر خطراتش بلکه به خاطر هزینهٔ بالای ناشی از کاربرد لیزرهای پرقدرت قابل استفاده در خانه نیست. هزینه و خطر احتمالی چاپ SLS بدان معنی است که بازار خانگی برای چاپ SLS به اندازه بازار سایر فناوری‌های تولید افزودنی مانند مدل‌سازی رسوب Fused Deposition (FDM) وجود ندارد.

فناوری

یک فناوری ساخت افزودنی لابه‌ای، SLS شامل استفاده از لیزر پرقدرت (به عنوان مثال، لیزر دی‌اکسید کربن) برای ذوب ذرات کوچک پودرهای پلاستیکی، فلزی، سرامیکی یا شیشه ای به درون توده‌ای است که شکل سه بعدی دلخواه دارد. لیزر به‌طور انتخابی مواد پودر شده را با اسکن مقطع عرضی تولید شده توسط توصیف فضایی دیجیتالی (به عنوان مثال از یک فایلCAD یا اسکن داده‌ها) فیوز می‌کند. بعد از اسکن هر سطح مقطع، یک لایه از ضخامت بستر پودری کم می‌شود و به جای آن یک لایهٔ جدید به بالا اضافه می‌شود و این روند تا زمان تکمیل قسمت تکرار می‌شود.

از آنجا که تراکم قسمت به پایان رسیده به اوج قدرت لیزر بستگی دارد و نه مدت زمان لیزر، یک دستگاه SLS به‌طور معمول از لیزر پالس استفاده می‌کند. دستگاه SLS مواد پودر فله‌ای را در بستر پودر تا حدودی پایین‌تر از نقطه ذوب آن گرم می‌کند، تا بتواند کار لیزر برای ذوب را آسان کند.

در مقایسه با برخی دیگر از فرایندهای تولید افزودنی، مانند استریولیتوگرافی (SLA) و مدل‌سازی رسوب ذوب شده (FDM)، که اغلب به ساخت‌های پشتیبانی ویژه برای ساختن طرح‌های بزرگ احتیاج دارند، SLS نیازی به فیدر جداگانه‌ای برای مواد پشتیبانی ندارد زیرا بخشی که ساخته می‌شود، همیشه با پودر بدون موتور احاطه شده‌است. این امر اجازهٔ ساخت اشکالی را می‌دهد که در گذشته غیرممکن بوده‌است. همچنین از آنجا که محفظه دستگاه همیشه پر از مواد پودری است، ساخت قطعات مختلف تأثیر به مراتب کمتری بر سختی و قیمت کلی طرح دارد زیرا از طریق تکنیکی که با عنوان " Nesting " شناخته می‌شود می‌توان قسمت‌های مختلفی را برای قرار گرفتن در مرزها قرار داد. دستگاه یکی از جنبه‌های طراحی که باید رعایت شود این است که با SLS ساخت یک عنصر توخالی اما کاملاً محصور غیرممکن است. این امر به این دلیل است که پودر بدون هدف درون عنصر قابل تخلیه نیست.

از زمان انقضای مجوزها، پرینترهای خانگی رواج یافتند اما تولید گرما هنوز یک مانع است. با مصرف بیش از پنج هزار وات و همچنان ثابت نگه‌داشتن دما بین دو درجه برای مراحل گرمادهی اولیه ذوب و ذخیره قبل از حذف صورت می‌گیرد.

مواد

مواد تجاری موجود مورد استفاده در SLS به صورت پودر هستند و شامل، اما نه محدود به، پلیمر مانند پلی آمید (PA)، پلی استایرن (PS)، الاستومر گرمانرم (TPE)، و polyaryletherketones (PAEK)می‌باشند. پلی آمیدها به دلیل رفتار پرکننده ایده‌آل به عنوان یک ترموپلاستیک نیمه کریستالی، متداول‌ترین مواد SLS هستند و در نتیجه قطعات با خواص مکانیکی مطلوب حاصل می‌شود. پلی کربنات (PC) به دلیل استحکام بالا، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر شعله، مورد علاقه SLS است. با این حال، چنین پلیمرهای آمورف پردازش شده توسط SLS تمایل به قطعات با خواص مکانیکی و دقت ابعادی کاهش یافته، دارند و بنابراین به کاربردهایی محدود می‌شوند که از اهمیت کم برخوردار هستند. از زمان توسعه ذوب لیزر انتخابی، مواد فلزی معمولاً در SLS استفاده نمی‌شوند.

تولید پودر

ذرات پودر به‌طور معمول توسط سنگ زنی سنگ زا در آسیاب توپ در دمای بسیار پایین‌تر از دمای انتقال شیشه از مواد تولید می‌شوند که با اجرای فرایند سنگ زنی با مواد کرایوژنیک اضافه شده مانند یخ خشک (سنگ زنی خشک) یا مخلوط‌های مایع به دست می‌آیند و حلالهای آلی (آسیاب مرطوب). این فرایند می‌تواند منجر به تولید ذرات کروی یا نامنظم به قطر پنج میکرون شود. توزیع اندازه ذرات پودر معمولاً گاوسی و از ۱۵ تا ۱۰۰ میکرون قطر دارند، اگر چه این اندازه می‌تواند در فرایند تف‌جوشی قابل تعیین باشد. پوشش‌هایی با پیوند شیمیایی را می‌توان به سطوح پودر پس از روند اضافه کرد؛ این روکش‌ها در فرایند پالایش کمک می‌کنند و به خصوص برای تشکیل قطعات مواد کامپوزیت مانند ذرات آلومینا که با رزین اپوکسی ترموست پوشش داده می‌شوند، بسیار مفید هستند.

Selective laser melting (SLM), also known as direct metal laser melting (DMLM) or laser powder bed fusion (LPBF), is a rapid prototyping, 3D printing, or additive manufacturing (AM) technique designed to use a high power-density laser to melt and fuse metallic powders together.

 To many, SLM is considered to be a subcategory of selective laser sintering (SLS). The SLM process has the ability to fully melt the metal material into a solid three-dimensional part unlike SLS.

History

Selective laser melting, one of the several 3D printing technologies, started in 1995 at the Fraunhofer Institute ILT in Aachen, Germany, with a German research project, resulting in the so-called basic ILT SLM patent DE 19649865.Already during its pioneering phase Dr. Dieter Schwarze and Dr. Matthias Fockele from F&S Stereolithographietechnik GmbH located in Paderborn collaborated with the ILT researchers Dr. Wilhelm Meiners and Dr. Konrad Wissenbach. In the early 2000s F&S entered into a commercial partnership with MCP HEK GmbH (later on named MTT Technology GmbH and then SLM Solutions GmbH) located in Lübeck in northern Germany. Today Dr. Dieter Schwarze is with SLM Solutions GmbH and Dr. Matthias Fockele founded Realizer GmbH.

The ASTM International F42 standards committee has grouped selective laser melting into the category of "laser sintering", although this is an acknowledged misnomer because the process fully melts the metal into a solid homogeneous mass, unlike selective laser sintering (SLS) which is a true sintering process. Another name for selective laser melting is direct metal laser sintering (DMLS), a name deposited by the EOS brand, however misleading on the real process because the part is being melted during the production, not sintered, which means the part is fully dense.This process is in all points very similar to other SLM processes, and is often considered as a SLM process.

A similar process is electron beam melting (EBM), which uses an electron beam as energy source.

Process

DMLS uses a variety of alloys, allowing prototypes to be functional hardware made out of the same material as production components. Since the components are built layer by layer, it is possible to design organic geometries, internal features and challenging passages that could not be cast or otherwise machined. DMLS produces strong, durable metal parts that work well as both functional prototypes or end-use production parts.

The process starts by slicing the 3D CAD file data into layers, usually from 20 to 100 micrometers thick, creating a 2D image of each layer; this file format is the industry standard .stl file used on most layer-based 3D printing or stereolithography technologies. This file is then loaded into a file preparation software package that assigns parameters, values and physical supports that allow the file to be interpreted and built by different types of additive manufacturing machines.

With selective laser melting, thin layers of atomized fine metal powder are evenly distributed using a coating mechanism onto a substrate plate, usually metal, that is fastened to an indexing table that moves in the vertical (Z) axis. This takes place inside a chamber containing a tightly controlled atmosphere of inert gas, either argon or nitrogen at oxygen levels below 500 parts per million. Once each layer has been distributed, each 2D slice of the part geometry is fused by selectively melting the powder. This is accomplished with a high-power laser beam, usually an ytterbium fiber laser with hundreds of watts. The laser beam is directed in the X and Y directions with two high frequency scanning mirrors. The laser energy is intense enough to permit full melting (welding) of the particles to form solid metal. The process is repeated layer after layer until the part is complete.^{[citation needed]}

The DMLS machine uses a high-powered 200 watt Yb-fiber optic laser. Inside the build chamber area, there is a material dispensing platform and a build platform along with a recoater blade used to move new powder over the build platform. The technology fuses metal powder into a solid part by melting it locally using the focused laser beam. Parts are built up additively layer by layer, typically using layers 20 micrometers thick.

Materials

Selective laser melting (SLM) machines can operate with a work space up to 1 m (39.37 in) in X & Y and can go up to 1 m (39.37 in) Z^[9]. Some of the materials being used in this process can include Ni based super alloys, copper, aluminium, stainless steel, tool steel, cobalt chrome, titanium and tungsten. SLM is especially useful for producing tungsten parts because of the high melting point and high ductile-brittle transition temperature of this metal.^[10] In order for the material to be used in the process it must exist in atomized form (powder form). These powders are generally gas atomized prealloys, being this the most economical process to obtain spherical powders on an industrial scale. Sphericity is desired because it guarantees a high flowability and packing density, which translates into fast and reproducible spreading of the powder layers. To further optimize flowability, narrow grain size distributions with a low percentage of fine particles like 15 - 45 µm or 20 - 63 µm are typically employed. Currently available alloys used in the process include 17-4 and 15-5 stainless steel, maraging steel, cobalt chromium, inconel 625 and 718, aluminum

AlSi10Mg, and titanium Ti6Al4V.The mechanical properties of samples produced using direct metal laser sintering differ from those manufactured using casting.AlSiMg samples produced using direct metal laser sintering exhibit a higher yield(engineering) then those constructed of commercial as-cast A360.0 alloy by 43% when constructed along the xy-plane and 36% along the z-plane.While the yield strength of AlSiMg has been shown to increase in both the xy-plane and z-plane, the elongation at break decreases along the build direction.These improvement of the mechanical properties of the direct metal laser sintering samples has been attributed to a very fine microstructure.

The next generation of additive comes through the direct metal laser melting (DMLM) process. The beds have been developed to allow for the melting of the powder to occur just before building the surface. Additionally, industry pressure has added more superalloy powders to the available processing including AM108.  It is not only the Print operation and orientation that provides a change in material properties, it is also the required post processing via Hot Isostatic Pressure (HIP) Heat Treat and shot peen that change mechanical properties to a level of noticeable difference in comparison to equiaxed cast or wrought materials.  Based on research done at the Tokyo Metropolitan University, it is shown that creep rupture and ductility are typically lower for additive printed Ni based superalloys compared to wrought or cast material. The directionality of print is a major influencing factor along with grain size. Additionally, wear properties are typically better as seen with the studies done on additive Inconel 718 due to surface condition; the study also demonstrated the laser power's influence on density and microstructure.Material Density that is generated during the laser processing parameters can further influence crack behavior such that crack reopening post HIP process is reduced when density is increased.It is critical to have a full overview of the material along with its processing from print to required post-print to be able to finalize the mechanical properties for design use.

Overview and benefits

Selective laser melting (SLM) is a part of additive manufacturing where a high-power-density laser is used to melt and fuse metallic powders together. This is a fast developing process that is being implemented in both research and industry. Selective Laser Melting is also known as direct melt laser melting or laser bed fusion. This advancement is very important to both material science and the industry because it can not only create custom properties but it can reduce material usage and give more degrees of freedom with designs that manufacturing techniques can't achieve. Selective laser melting is very useful as a full-time materials and process engineer. Requests such as requiring a quick turnaround in manufacturing material or having specific applications that need complex geometries are common issues that occur in industry. Having SLM would really improve the process of not only getting parts created and sold, but making sure the properties align with whatever is needed out in the field. Current challenges that occur with SLM are having a limit in processable materials, having undeveloped process settings and metallurgical defects such as cracking and porosity.The future challenges are being unable to create fully dense parts due to the processing of aluminum alloys.Aluminum powders are light-weight, have high reflectivity, high thermal conductivity, and low laser absorptivity in the range of wavelengths of the fiber lasers which are used in SLM.

These challenges can be improved with doing more research in how the materials interact when being fused together. Also if more people understand the material properties and how they interact with specific heat (such as lasers) and different alloys, then there is a better chance we can understand how to avoid these defects and make this process more streamlined. As an advocate for creating new inventions that can help this world, understanding additive manufacturing and how to successfully implement SLM would be a great benefit to our society.