【南極熊3D打印文化】SLS 選擇性激光燒結：影響最為深遠的3D打印技術

SLS技術是高端制造領域普遍應用的技術,。最初由美國德克薩斯大學的研究生C.R. Dechard提出,，并于1989年研制成功,。憑借這一核心技術,，他組建了DTM公司,，之后一直成為SLS技術的主要領導企業(yè)，直到2001年被3D Systems公司完整收購,。幾十年來,，德克薩斯大學的DTM公司的科研人員在SLS領域做了大量的研究工作，并在設備研制、工藝和材料研發(fā)上取得了豐碩的成果,。

國內方面,，已有多家單位開展了對SLS的相關研究工作，如華中科技大學,、南京航空航天大學,、西北工業(yè)大學、以及北京和湖南的3D打印企業(yè),，取得了許多重大成果,。今天就跟你分享3D打印領域中的SLS技術。

1 SLS原理

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering, SLS）技術由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard發(fā)明,，主要是利用粉末材料在激光照射下高溫燒結的基本原理,，通過計算機控制光源定位裝置實現(xiàn)精確定位，然后逐層燒結堆積成型,。

SLS的工作過程與3DP相似,，都是基于粉末床進行的，區(qū)別在于3DP是通過噴射粘結劑來粘結粉末,，而SLS是利用紅外激光燒結粉末。先用鋪粉滾軸鋪一層粉末材料,，通過打印設備里的恒溫設施將其加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度,，接著激光束在粉層上照射，使被照射的粉末溫度升至熔化點之上,，進行燒結并與下面已制作成形的部分實現(xiàn)黏結,。當一個層面完成燒結之后，打印平臺下降一個層厚的高度,，鋪粉系統(tǒng)為打印平臺鋪上新的粉末材料,，然后控制激光束再次照射進行燒結，如此循環(huán)往復,，層層疊加,，直至完成整個三維物體的打印工作。

SLS激光燒結成型工藝原理圖（圖片來源：南極熊）

SLS工藝原理

激光燒結技術是成型原理最復雜,，條件最高,，設備及材料成本最高的3D打印技術之一，但也是目前對3D打印技術發(fā)展影響最為深遠的技術,。從理論上來說,，任何加熱后能夠形成原子間黏結的粉末材料都可以被用來作為SLS的成型材料，目前,，已可成熟運用于SLS設備打印的材料主要有石蠟,、尼龍、金屬、陶瓷粉末和它們的復合材料,。

SLS打印內部演示

2 SLS優(yōu)勢&技術限制

SLS優(yōu)勢：

1．可使用材料廣泛,。可使用的材料包括尼龍,、聚苯乙烯等聚合物,，鐵、鈦,、合金等金屬,、陶瓷、覆膜砂等,；

2．成型效率高,。由于SLS技術并不完全熔化粉末，而僅是將其燒結,，因此a制造速度快,；

3．材料利用率高。未燒結的材料可重復使用,，材料浪費少,，成本較低；

4．無需支撐,。由于未燒結的粉末可以對模型的空腔和懸臂部分起支撐作用,，不必像FDM和SLA工藝那樣另外設計支撐結構，可以直接生產(chǎn)形狀復雜的原型及部件,；

5．應用面廣,。由于成型材料的多樣化，可以選用不同的成型材料制作不同用途的燒結件,，可用于制造原型設計模型,、模具母模、精鑄熔模,、鑄造型殼和型芯等,。

SLS技術限制：

1. 原材料價格及采購維護成本都較高。

2. 機械性能不足,。SLS成型金屬零件的原理是低熔點粉末粘結高熔點粉末,，導致制件的孔隙度高，機械性能差,，特別是延伸率很低,，很少能夠直接應用于金屬功能零件的制造。

3. 需要比較復雜的輔助工藝,。由于SLS所用的材料差別較大,，有時需要比較復雜的輔助工藝,，如需要對原料進行長時間的預處理（加熱）、造成完成后需要進行成品表面的粉末清理等,。

3 SLS的應用

金屬粉末的燒結

用于SLS燒結的金屬粉末主要有三種：單一金屬粉末,、金屬混合粉、金屬粉加有機物粉末,。相應地,，SLS技術在成型金屬零件時，主要有三種方式：

a. 單一金屬粉末的燒結

例如鐵粉,，先將鐵粉預熱到一定溫度,，再用激光束掃描、燒結,。燒結好的制件經(jīng)熱等靜壓處理,，可使最后零件的相對密度達到99．9%。

b. 金屬混合粉末的燒結

主要是兩種金屬的混合粉末,，其中一種粉末具有較低的熔點．另一種粉末的熔點較高,。例如青銅粉和鎳粉的混合粉。先將金屬混合粉末預熱到某—溫度．再用激光束進行掃描,，使低熔點的金屬粉末熔化(如青銅粉),，從而將難熔的鎳粉粘結在一起。燒結好的制件再經(jīng)液相燒結后處理,，可使最后制件的相對密度達到82%,。

c. 金屬粉末與有機黏合劑粉末的混合體

將金屬粉末與有機黏合劑粉末按一定比例均勻混合，激光束掃描后使有機黏合劑熔化,，熔化的有機黏合劑將金屬粉末黏合在一起（如銅料和有機玻璃粉）。燒結好的制件再經(jīng)高溫后續(xù)處理,，一方面去除制件中的有機黏合劑,，另一方面提高制件的力學強度和耐熱強度。

利用SLS技術打印的金屬物件（圖片來源：desingnswan.com）

利用SLS技術制成的金屬藝術品（圖片來源：南極熊）

目前,，SLS發(fā)明人Dechard組建的美國DTM公司的產(chǎn)品中,，已經(jīng)商業(yè)化的金屬粉末產(chǎn)品有以下幾種：

1. RrapidSteel1.0，其材料成分為1080碳鋼金屬粉末和聚合物材料,，聚合物均勻覆在粉粒的表面,，成型坯的密度是鋼密度的55%，強度可達2.8 MPa,，所滲金屬可以是純銅,，也可以是青銅，這種材料主要用來制造注塑模,。

2. RrapidSteel2.0,，其燒結成型件完全密實,，達到鋁合金的強度和硬度，能進行機加工,、焊接,、表面處理及熱處理，可作為塑料件的注塑成型模具,，注塑模的壽命可達到10萬件/副,，也可以用來制造用于Al、Mg,、Zn等有色金屬零件的壓鑄模,，壓鑄模的壽命能達到200～500件/副。

3. Copper Polyamide,，基體材料為銅粉,，黏結劑為聚酰胺（Polyamide），其特點是成型后不需二次燒結,，成型件可用于常用塑料的注塑成型,，壽命為100～400件/副。

此外,，還有德國EOS推出的DirectSteel（混合油其他金屬粉末的鋼粉末）等材料,。

陶瓷粉末的燒結

與金屬合成材料相比，陶瓷粉末材料有更高的硬度和更高的工作溫度,，也可用于復制高溫模具,。由于陶瓷粉末的熔點很高，所以在采用SLS工藝燒結陶瓷粉末時,，需要在陶瓷粉末中加入低熔點的黏合劑,。激光燒結時首先將黏合劑熔化，然后通過熔化的黏合劑將陶瓷粉末黏結起來成型,，最后通過后處理來提高陶瓷零件的性能,。

目前所用的純陶瓷粉末原料主要有Al2O3和SiC，而粘結劑有無機粘結劑,、有機粘結劑和金屬粘結劑三種,。由于工藝過程中鋪粉層的原始密度低，因而制件密度也低,，故多用于鑄造型殼的制造,。

SLS激光燒結制成的陶瓷制件

利用SLS工藝制成的陶瓷制件（圖片來源：dentalcompare.com）

Shapeways公司利用SLS技術制成的陶瓷花瓶（圖片來源：Shapeways）

高分子材料的燒結

在高分子材料中，經(jīng)常使用的材料包括聚碳酸酯（PC）,、聚苯乙烯粉（PS）,、ABS、尼龍（PA）,、尼龍與玻璃纖維的混合物,、蠟等,。高分子材料具有較低的成形溫度，燒結所需的激光功率小,，熔融黏度較高,，沒有金屬粉末燒結時較難克服的“球化”效應，因此,，高分子粉末是目前應用最多也是應用最成功的SLS材料,。

尼龍材料因具有強度高、耐磨性好,、易于加工等優(yōu)點使其在SLS 3D打印領域得到了廣泛應用,。同時，可以在尼龍材料中加入玻璃微珠,、碳纖維等材料,，從而提高尼龍的機械性能、耐磨性能,、尺寸穩(wěn)定性能和抗熱變形性能,。

SLS激光燒結的尼龍工業(yè)制件（圖片來源：華曙高科）

DTM公司的DuraForm PA尼龍材料打印的工業(yè)制件（圖片來源：3D Systems）

DTM公司的CastForm（聚苯乙烯粉末）材料打印的工業(yè)制件（圖片來源：3D Systems）

目前，國外已商品化的SLS高分子粉末材料主要有：

1. DuraForm PA（尼龍粉末,，美國DTM公司）,，其熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性優(yōu)良,。

2. DuraForm GF（添加玻璃珠的尼龍粉末,，美國DTM公司），其熱穩(wěn)定性,、化學穩(wěn)定性優(yōu)良,，尺寸精度高。

3. Polycarbonate（聚碳酸酯粉末,，美國DTM公司）,，其熱穩(wěn)定性良好，可用于精密鑄造,。

4. CastForm（聚苯乙烯粉末，美國DTM公司）,，需要用鑄造蠟處理,，以提高制件的強度和表面粗糙度，可用于失蠟制造工藝,。

5. Somos 201（彈性體高分子粉末,，DSM Somos公司），其類似橡膠產(chǎn)品,，具有很高柔性,。

具體而言,，SLS的應用可大體歸納為六個方面

1. 快速原型制造。,。SLS工藝能夠快速制造模型,，從而縮短從設計到看到成品的時間，可以使客戶更加快速,、直觀的看到最終產(chǎn)品的原型,。

2. 新型材料的制備及研發(fā)。采用SLS工藝可以研制一些新興的粉末顆粒以加強復合材料的強度,。

3. 小批量,、特殊零件的制造加工。當遇到一些小批量,、特殊零件的制造需求時,，利用傳統(tǒng)方法制造往往成本較高，而利用SLS工藝可以快速有效的解決這個問題,，從而降低成本,。

4. 快速模具和工具制造。目前,，隨著工藝水平的提高,，SLS制造的部分零件可以直接作為模具使用。

5. 逆向工程,。利用三維掃描工藝等技術,，可以利用SLS工藝在沒有圖紙和CAD模型的條件下按照原有零件進行加工，根據(jù)最終零件構造成原型的CAD模型,，從而實現(xiàn)逆向工程應用,。

6. 在醫(yī)學上的應用。由于SLS工藝制造的零件具有一定的孔隙率,，因此可以用于人工骨骼制造,，已經(jīng)有臨床研究證明，這種人工骨骼的生物相容性較好,。

利用SLS工藝制成的組織工程骨支架材料（圖片來源：3dprint.com）

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