【南極熊3D打印文化】SLS 選擇性激光燒結(jié)：影響最為深遠(yuǎn)的3D打印技術(shù)

SLS技術(shù)是高端制造領(lǐng)域普遍應(yīng)用的技術(shù),。最初由美國德克薩斯大學(xué)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(shù),，他組建了DTM公司,，之后一直成為SLS技術(shù)的主要領(lǐng)導(dǎo)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(xué)的DTM公司的科研人員在SLS領(lǐng)域做了大量的研究工作,，并在設(shè)備研制、工藝和材料研發(fā)上取得了豐碩的成果,。

國內(nèi)方面,，已有多家單位開展了對SLS的相關(guān)研究工作，如華中科技大學(xué),、南京航空航天大學(xué),、西北工業(yè)大學(xué)、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(lǐng)域中的SLS技術(shù)。

1 SLS原理

選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, SLS）技術(shù)由美國德克薩斯大學(xué)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?zé)�結(jié)的基本原理,，通過計(jì)算機(jī)控制光源定位裝置實(shí)現(xiàn)精確定位，然后逐層燒結(jié)堆積成型,。

SLS的工作過程與3DP相似,，都是基于粉末床進(jìn)行的，區(qū)別在于3DP是通過噴射粘結(jié)劑來粘結(jié)粉末,，而SLS是利用紅外激光燒結(jié)粉末,。先用鋪粉滾軸鋪一層粉末材料，通過打印設(shè)備里的恒溫設(shè)施將其加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點(diǎn)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(diǎn)之上，進(jìn)行燒結(jié)并與下面已制作成形的部分實(shí)現(xiàn)黏結(jié),。當(dāng)一個層面完成燒結(jié)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(jìn)行燒結(jié),，如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加,，直至完成整個三維物體的打印工作,。

SLS激光燒結(jié)成型工藝原理圖（圖片來源：南極熊）

SLS工藝原理

激光燒結(jié)技術(shù)是成型原理最復(fù)雜,，條件最高，設(shè)備及材料成本最高的3D打印技術(shù)之一,，但也是目前對3D打印技術(shù)發(fā)展影響最為深遠(yuǎn)的技術(shù),。從理論上來說，任何加熱后能夠形成原子間黏結(jié)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(yùn)用于SLS設(shè)備打印的材料主要有石蠟、尼龍,、金屬,、陶瓷粉末和它們的復(fù)合材料,。

SLS打印內(nèi)部演示

2 SLS優(yōu)勢&技術(shù)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(shù)并不完全熔化粉末，而僅是將其燒結(jié),，因此a制造速度快,；

3．材料利用率高。未燒結(jié)的材料可重復(fù)使用,，材料浪費(fèi)少,，成本較低；

4．無需支撐,。由于未燒結(jié)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(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，可以直接生產(chǎn)形狀復(fù)雜的原型及部件,；

5．應(yīng)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(jié)件,，可用于制造原型設(shè)計(jì)模型,、模具母模、精鑄熔模,、鑄造型殼和型芯等,。

SLS技術(shù)限制：

1. 原材料價(jià)格及采購維護(hù)成本都較高,。

2. 機(jī)械性能不足。SLS成型金屬零件的原理是低熔點(diǎn)粉末粘結(jié)高熔點(diǎn)粉末,，導(dǎo)致制件的孔隙度高,，機(jī)械性能差，特別是延伸率很低,，很少能夠直接應(yīng)用于金屬功能零件的制造,。

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

3 SLS的應(yīng)用

金屬粉末的燒結(jié)

用于SLS燒結(jié)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(jī)物粉末,。相應(yīng)地,，SLS技術(shù)在成型金屬零件時(shí)，主要有三種方式：

a. 單一金屬粉末的燒結(jié)

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

b. 金屬混合粉末的燒結(jié)

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(diǎn)．另一種粉末的熔點(diǎn)較高,。例如青銅粉和鎳粉的混合粉。先將金屬混合粉末預(yù)熱到某—溫度．再用激光束進(jìn)行掃描,，使低熔點(diǎn)的金屬粉末熔化(如青銅粉),，從而將難熔的鎳粉粘結(jié)在一起。燒結(jié)好的制件再經(jīng)液相燒結(jié)后處理,，可使最后制件的相對密度達(dá)到82%,。

c. 金屬粉末與有機(jī)黏合劑粉末的混合體

將金屬粉末與有機(jī)黏合劑粉末按一定比例均勻混合，激光束掃描后使有機(jī)黏合劑熔化,，熔化的有機(jī)黏合劑將金屬粉末黏合在一起（如銅料和有機(jī)玻璃粉）,。燒結(jié)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(jī)黏合劑,，另一方面提高制件的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度,。

利用SLS技術(shù)打印的金屬物件（圖片來源：desingnswan.com）

利用SLS技術(shù)制成的金屬藝術(shù)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(qiáng)度可達(dá)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(jié)成型件完全密實(shí),，達(dá)到鋁合金的強(qiáng)度和硬度,，能進(jìn)行機(jī)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(dá)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(dá)到200～500件/副。

3. Copper Polyamide,，基體材料為銅粉,，黏結(jié)劑為聚酰胺（Polyamide），其特點(diǎn)是成型后不需二次燒結(jié),，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(jié)

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(fù)制高溫模具,。由于陶瓷粉末的熔點(diǎn)很高，所以在采用SLS工藝燒結(jié)陶瓷粉末時(shí),，需要在陶瓷粉末中加入低熔點(diǎn)的黏合劑,。激光燒結(jié)時(shí)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(jié)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(jié)劑有無機(jī)粘結(jié)劑,、有機(jī)粘結(jié)劑和金屬粘結(jié)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(jié)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(shù)制成的陶瓷花瓶（圖片來源：Shapeways）

高分子材料的燒結(jié)

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(jié)所需的激光功率小,，熔融黏度較高,，沒有金屬粉末燒結(jié)時(shí)較難克服的“球化”效應(yīng)，因此,，高分子粉末是目前應(yīng)用最多也是應(yīng)用最成功的SLS材料,。

尼龍材料因具有強(qiáng)度高、耐磨性好,、易于加工等優(yōu)點(diǎn)使其在SLS 3D打印領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。同時(shí)，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(jī)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(jié)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(xué)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(xué)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(qiáng)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(yīng)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(shè)計(jì)到看到成品的時(shí)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(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度。

3. 小批量,、特殊零件的制造加工,。當(dāng)遇到一些小批量、特殊零件的制造需求時(shí),，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(shù),，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(jìn)行加工，根據(jù)最終零件構(gòu)造成原型的CAD模型,，從而實(shí)現(xiàn)逆向工程應(yīng)用,。

6. 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)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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