全面解析低成本SLS粉末燒結(jié)成型3D打印技術(shù)方案

本帖最后由笑笑熊于 2017-4-25 15:40 編輯

南極熊前言：本文是全面解析了低成本SLS粉末燒結(jié)成型3D打印技術(shù)方案，給讀者提供了大量有價(jià)值的信息和思路,。

投稿：黃子帆
編輯：南極熊

一般很多小伙伴最開(kāi)始玩3D打印的時(shí)候,，都先接觸的是FDM或者說(shuō)FFF。接觸久了就發(fā)現(xiàn)FFF存在很多問(wèn)題,。比如精度太低,、需要加支撐，特別是打印鏤空的零件,，如果參數(shù)設(shè)置的不太好,，那簡(jiǎn)直沒(méi)法看。所以就有開(kāi)始接觸光固化的無(wú)論是LCD SLA DLP也存在一些問(wèn)題（約束式離型膜更換,，自由式倒是沒(méi)有離型膜,，但是零件在樹脂中泡會(huì)變形啊）,。反正各種各樣的問(wèn)題,。SLS當(dāng)然是不錯(cuò)的選擇，但是怎么搞呢,。其中在long long ago wiki出現(xiàn)了opensls這個(gè)項(xiàng)目(http://reprap.org/wiki/OpenSLS)

SLS工藝流程

SLS采用鋪粉將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面,，并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描,，使粉末的溫度升到熔化點(diǎn),，進(jìn)行燒結(jié)并與下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。一層完成后,，工作臺(tái)下降一層厚度,，輥筒在上面鋪上一層均勻密實(shí)粉末，進(jìn)行新一層截面的燒結(jié),，直至完成整個(gè)模型,。

opensls項(xiàng)目
OpenSLS是探索選擇性激光燒結(jié)工藝的平臺(tái)由Jordan Miller博士負(fù)責(zé)。能夠在各種材料中制造物體的功能正常的原型SLS 3D打印機(jī),。
機(jī)械部分采用的是激光切割機(jī)與粉末模塊相結(jié)合,，粉末模塊有兩代。

R1粉末模塊由兩個(gè)相同尺寸的活塞缸組成,，每個(gè)由不同螺距的絲桿桿驅(qū)動(dòng),。

R2粉末模塊
1.對(duì)粉末缸成型缸都可以加熱
2.添加了保護(hù)氣體的裝置
3.可以從激光雕刻機(jī)中取出。

將粉末模塊添加到激光雕刻機(jī)中
電路部分采用RAMBo板,，因?yàn)镽AMBo板有PWM接口就是可以對(duì)CO2激光器進(jìn)行功率調(diào)節(jié),。

RAMBo板

激光電源接線圖

打印材料
蠟基粉末
100：7的比例混合的蠟和碳粉組成，其中碳粉末作為近紅外激光波長(zhǎng)的能量吸收,。

蠟基粉末打印的齒輪

高倍率下可以看到單個(gè)的碳和蠟顆粒

尼龍
Taulman 618和PA 650第一層需要牢固地粘合到平臺(tái)上,。采用400mW的激光,，58mm / s的打印速度，150微米的層高度和0.075mm的光斑直徑尺寸制造,。

打印的戒指

PA 650 最后一層打印

pwdr項(xiàng)目
特內(nèi)特大學(xué)（荷蘭）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為更廣泛的社區(qū)提供了一種基于開(kāi)源粉末的3D打印機(jī),。pwdr。系統(tǒng)是可以獲得約1000歐元的第一代自組裝3D打印機(jī),。其目標(biāo)是促進(jìn)粉末快速成型中的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新,。

pwdr的規(guī)格包括96 dpi分辨率，50微米的層厚度,，每層建立一分鐘的速度,，這取決于所建立的部分,，最大構(gòu)建尺寸為125 mm x 125 mm x 125 mm,。
機(jī)器構(gòu)建的組件都可以從現(xiàn)貨出貨，基于Arduino和Processing等開(kāi)源工具的控制軟件可以輕松下載,。

軟件
Pwdr Model 0.1附帶的軟件以可打印CAD模型,。然后將該文件上傳到Pwdr Model 0.1微控制器。該機(jī)器由于易使用的軟件控制,，可完全控制打印過(guò)程,。

硬件
Pwdr Model 0.1由機(jī)架，噴頭和電子元件組成,。打印機(jī)包括兩個(gè)成型缸（＃1用于存儲(chǔ)粉末,，靠近電子設(shè)備和＃2構(gòu)建零件），它們?cè)诖蛴∵^(guò)程中相互上下移動(dòng),。使用輥筒撲粉,。
沉積粘合劑的打印頭是標(biāo)準(zhǔn)的Hewlett Packard C6602A墨盒。使用注射器可以使用定制的粘合劑來(lái)重新填充墨盒,。20％酒精和80％水的定制粘合劑,。打印機(jī)頭通過(guò)定制的控制板連接到Arduino微控制器為噴嘴提脈沖信號(hào)。
建立Pwdr Model 0.1機(jī)器的成本約為1000歐元,。
在thingiverse 有具體的資料http://www.thingiverse.com/thing:27794

材料

當(dāng)使用3DP工藝：石膏,，陶瓷，混凝土,，糖等時(shí),，當(dāng)SLS工藝得到充分的支持時(shí)，像ABS,，PP,，尼龍和金屬這樣的塑料材料成為材料.Hewlett Packard噴墨墨盒是用于粘結(jié)劑的沉積。使用注射器可以使用定制的粘合劑來(lái)重新填充墨盒,。

（詳細(xì)資料http://pwdr.github.io/）

FCOUS項(xiàng)目
Focus是一種開(kāi)源實(shí)驗(yàn)粉末打印機(jī),，能夠?qū)Υ蛴『芏嗖牧�,。它也可以用于大多�?shù)其他3D打印應(yīng)用程序和激光雕刻。焦點(diǎn)是開(kāi)放源代碼,，基于代碼,，可以建立在600歐元以下。

Focus是圍繞簡(jiǎn)單的木制和3D打印零件,。任何零件裝配都不需要復(fù)雜的工具,。大多數(shù)框架由15mm 木板構(gòu)成，具有簡(jiǎn)單的切割,。使用簡(jiǎn)單的3D打印機(jī)將Focus的大部分零件用FDM3D打印機(jī)打印出來(lái),。所有的零件都是無(wú)支撐的，易于打印,。其余部分可以從硬件商店或從互聯(lián)網(wǎng)獲取,。所有使用的連接件件都是標(biāo)準(zhǔn)件。

Focus的X軸Y軸是龍門,。這具有軸相對(duì)較慢的缺點(diǎn),，但是由于Focus是實(shí)驗(yàn)性的，因此不需要很多速度,。聚焦仍然可以舒適地達(dá)到30mm / s的速度,。打印頭很大，可以支撐較大的重量,。

焦點(diǎn)可以用于各種各樣的技術(shù),。
· 它可以配備激光，激光雕刻/激光切割,。
· 它可以安裝噴墨噴嘴進(jìn)行3dp工藝,。
· 它可以安裝標(biāo)準(zhǔn)的FDM噴嘴以常規(guī)方式打印。

規(guī)格：
由于Focus仍然是實(shí)驗(yàn)性的,，因此Focus并不知道精確值,。所有數(shù)字都是估計(jì)值和最小值XY最大速度：30+ [mm / s]（安裝時(shí)固定為30mm / s或1800mm / min）
最大成型缸活塞移動(dòng)速度：4+ [mm / s]
打印機(jī)體積：130x117x80 + [mm]
XY軸行程：150x280 [mm ]
控制板：RAMPS 1.4
固件：Beta 0.02
電機(jī)：5x NEMA17 （42電機(jī)）

專業(yè)：
· Focus是為愛(ài)好者提供的少數(shù)功能粉末打印機(jī)之一;
· Focus低于1000美元，低廉的3D打印機(jī)標(biāo)準(zhǔn),，非常便宜的粉末打印機(jī)標(biāo)準(zhǔn)
;· Focus是可以添加多種功能,，它可以容納幾乎任何工具，可以打印很多技巧;
· Focus易于構(gòu)建,，簡(jiǎn)單的木制零件,，易于3D打印的零件和3D印刷中使用的標(biāo)準(zhǔn)硬件;

缺點(diǎn)：
· Focus很打印速度慢，由于載重量大,，機(jī)架速度相對(duì)較低;
· 沒(méi)有可用的打印件,，還沒(méi)有做足夠的實(shí)驗(yàn)來(lái)制作可用的部件；
· Focus不是非常準(zhǔn)確,，特別是在Z軸（相對(duì)于FDM）;
· Focus缺乏加熱成型缸或惰性氣體室,。

詳細(xì)資料（http://www.instructables.com/id/Focus-an-experimental-powder-printing-platform/ ）
這些都是早期的一些SLS的項(xiàng)目,，最近兩年內(nèi)有很多SLS項(xiàng)目，主要就是克服了早期項(xiàng)目的一些問(wèn)題,。比如穩(wěn)定性方面,，控制系統(tǒng)方面等等。在instructables上介紹DIY sls項(xiàng)目的就是四個(gè),，最近兩年都有三個(gè),。

http://www.instructables.com/howto/SLS/

Sintratec（官網(wǎng)）準(zhǔn)備2016年10月在indiegogo眾籌的SLS 3D打印機(jī)只需5277美金（32453人民幣）。目前研發(fā)中的版本可以打印尺寸130mm的正方體,，作品如下圖所示,，外觀類似于FDM最初版本的打印效果，有比較強(qiáng)的砂紙的粗糙感,，還是需要做一次表面處理的,。http://sintratec.com/stories

VulcaMan是一名17歲的創(chuàng)客，2016年5月公布了自己的DIY選擇性激光燒結(jié)（SLS）3d打印機(jī)項(xiàng)目,。如果你對(duì)此感興趣,，可以到Wevolver上尋找這個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)。
他談?wù)摿怂捻?xiàng)目：“自從聽(tīng)說(shuō)以后,，我一直想要一臺(tái)SLS打印機(jī)，但是它們都非常昂貴,，只適用于工業(yè)應(yīng)用,。因此，我決定制作自己的商業(yè)SLS打印機(jī),�,！�

https://www.wevolver.com/wevolver.moderator/diy-sls-3d-printer/main/guide/

Tecnica 2016年10月推出一款名為CASA的桌面SLS 3D打印機(jī)，其速度比競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)快250倍,。更令人吃驚的是,，它的售價(jià)將低于20000美元。

Tecnica是一家位于紐約Great Neck的初創(chuàng)公司,，其宗旨是優(yōu)化3D打印工藝,。自2013年成立以來(lái)，他們申請(qǐng)到了一系列知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利,。2016年初,，他們獲得了一種紅外3D打印床調(diào)平系統(tǒng)的專利。2016年9月,，他們又獲得了一種自定義激光打印頭系統(tǒng)的的專利,，正是該系統(tǒng)成就了CASA瘋狂的打印速度。

Tecnica解釋說(shuō),，他們開(kāi)發(fā)這一新的SLS技術(shù)是為了讓選擇性激光燒結(jié)（SLS）3D打印技術(shù)更切實(shí)可行,，在成本方面更加吸引工業(yè)級(jí)和專業(yè)級(jí)應(yīng)用,。“激光燒結(jié)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵在于快速打印,、材料的強(qiáng)度和便于獲取性,。專業(yè)級(jí)3D打印機(jī)的成本太高，小中型公司無(wú)法負(fù)擔(dān),�,！彼麄冋f(shuō)。

Tecnica還未詳細(xì)透露這項(xiàng)新的3D打印技術(shù)能做什么以及它是如何工作的,，但他們揭露說(shuō),，通過(guò)一個(gè)強(qiáng)大的、帶有一個(gè)內(nèi)部冷卻半導(dǎo)體系統(tǒng)和正壓氣流的5瓦激光,，該技術(shù)允許在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行3D打印,，并能以快于競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)250倍的速度建造模型。各種硬件和軟件的調(diào)整也使得CASA能高頻率地控制激光束及其在打印床上的位置,，這彌補(bǔ)了設(shè)備偏差和環(huán)境變化所造成的不足,。

最重要的是，這樣驚人的打印速度并不影響打印質(zhì)量和精度,。CASA的分辨率高于0.07毫米,，其構(gòu)建體積為92x100x150毫米，這使得它成為一款對(duì)非金屬零件制造非常有吸引力的專業(yè)級(jí)3D打印機(jī),。
http://tecnica.com/investors-relation/

英國(guó)公司 Norge Systems在2012年開(kāi)始打造“世界上第一臺(tái)低成本高品質(zhì)的基于SLS原理的3D打印機(jī),，價(jià)格方面即使是中小型設(shè)計(jì)工作室也能承受，而且使用方便,、體積小,。” 團(tuán)隊(duì)的成員：電子,、激光專家Lica Venri,、3D藝術(shù)家Alessandro Facchini和軟件開(kāi)發(fā)人員Stefano Rebecchi一直努力開(kāi)發(fā)軟件和優(yōu)化供應(yīng)鏈和組裝過(guò)程。最終制造出了兩款新的SLS 3D打印機(jī)：Ice9與Ice1,。
Ice9最大打印尺寸為30x30x45cm,，較小的Ice1也有20x20x25cm
Ice9 SLS 3D打印機(jī)可以打印塑料模型（使用尼龍或聚酰胺（PA）材料）。還具備激光雕刻/切割機(jī)的功能,�,？梢岳L制或切割各種材料，比如木材,、紙,、泡沫，甚至毛氈,。該公司于2014年8月18日在眾籌平臺(tái)Kickstarter上為Ice1和Ice9發(fā)起眾籌活動(dòng),，可惜以失敗告終,。

https://www.kickstarter.com/projects/1812935123/ice1-and-ice9-the-first-low-budget-sls-3d-printers?ref=discovery

國(guó)內(nèi)在淘寶網(wǎng)上也有一家賣SLS套件的，不建議買,，設(shè)計(jì)太爛了,。專業(yè)點(diǎn)的一看就發(fā)現(xiàn)四個(gè)腿在打印過(guò)程中絕對(duì)很晃，據(jù)購(gòu)買了的小伙伴說(shuō),，兩個(gè)缸一樣大根本無(wú)法保證鋪粉能夠鋪完,，就是轉(zhuǎn)移比不對(duì)。激光控制也很拙,。打印鏤空的根本無(wú)法打印,。更要命的有問(wèn)題不協(xié)助解決。

武漢智壘也有一款桌面的SLS 3d打印機(jī)

打印效果沒(méi)有圖片

DIY SLS常見(jiàn)問(wèn)題

用什么激光來(lái)做一個(gè)DIY SLS機(jī)器,？
任何具有足夠功率以加熱粉末顆粒的激光器將起作用,。使用特定類型的激光器進(jìn)行DIY SLS項(xiàng)目的實(shí)踐主要受兩個(gè)因素的影響：激光管的尺寸和激光的波長(zhǎng)。
DIY SLS機(jī)器的半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么,？
優(yōu)點(diǎn)：
· 半導(dǎo)體激光器體積小巧輕便,，可以直接安裝在移動(dòng)的支架上。也不會(huì)過(guò)熱,，只需要簡(jiǎn)單的散熱器,。這樣可以確保SLS機(jī)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

· 半導(dǎo)體激光器采用簡(jiǎn)單易用的電流/電壓工作,。
缺點(diǎn)：
· 對(duì)于可見(jiàn)光或近紅外光（<1um）,，白色或透明的熱塑性粉末高度反射，這意味著只能使用深色粉末才能達(dá)到明顯的效果,。CO2激光器敲好相反。
· 大功率半導(dǎo)體激光器（幾十瓦）往往比相同額定功率的CO2激光器更貴,。
DIY SLS 使用CO2激光的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
· CO2激光器是深紅外線,。在這種波長(zhǎng)下，所有塑料都是不透明和高吸收性的,，所以CO2激光器對(duì)白色或透明塑料不會(huì)有什么問(wèn)題,。
· CO2激光器比半導(dǎo)體激光器更強(qiáng)大，這可能意味著更快的處理速度
缺點(diǎn)：
· CO2激光器體積大而重,。40W管長(zhǎng)70厘米,，重量2公斤，因此不可能將其直接安裝在移動(dòng)的托架上,。光纖耦合CO2激光器也是不可能的,，所以唯一的選擇是采用復(fù)雜的鏡子系統(tǒng)來(lái)傳送激光束。
· CO2激光器需要數(shù)萬(wàn)伏驅(qū)動(dòng),。
· CO2激光器需要水冷,。
什么材料適合DIY SLS工藝,？
理論上任何一種熱塑性粉末都可以使用SLS加工。使用特定類型的熱塑性粉末的實(shí)用性取決于幾個(gè)因素：
1. 粉末在加熱時(shí)是否釋放出有毒的煙霧,，由于燒結(jié)過(guò)程的特性,，塑料粉末保持非常接近其熔點(diǎn)。
2. 粉末是否容易吸收特定波長(zhǎng)的激光,。
3. 是否充足供應(yīng),。
金屬粉末原則上是可能的，但在DIY環(huán)境中有一些實(shí)際的限制,。
在SLS機(jī)器中使用熱塑性塑料是否安全,？
目前在DIY環(huán)境中SLS的安全性尚不存在可靠數(shù)據(jù)。使用ABS和尼龍進(jìn)行3D打印是安全的,。另一方面,，通常與ABS和尼龍中的3D印刷有明顯的氣味，這意味著從熔化的塑料中揮發(fā)的東西,。因此,，建議通過(guò)某種空氣過(guò)濾器（例如活性炭）排放所有的煙霧，或者至少排出房間,。
在DIY SLS機(jī)器中需要加熱成型缸嗎,？
激光將塑料粉末從室溫轉(zhuǎn)移到正好高于熔點(diǎn)時(shí)，會(huì)引起相當(dāng)大的膨脹,。如果將構(gòu)建體積中的粉末預(yù)熱至剛好低于熔點(diǎn)的溫度以避免任何額外的溫度膨脹,，則可以避免這種情況。
可以使用RepRap控制板和固件進(jìn)行DIY SLS機(jī)器嗎,？
SLS工藝中涉及的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與FDM工藝相似,，除了擠出機(jī)指令被激光脈沖代替以外，還需要在沿著Z軸推進(jìn)之后施加一層粉末,。因此,，可以對(duì)傳統(tǒng)的RepRap控制板和固件進(jìn)行修改。

我自己的SLS 3D打印機(jī)

在2014年4月份的時(shí)候趁著項(xiàng)目剛鑒定完,，沒(méi)事干做了一臺(tái)SLS 3D打印機(jī),。仿制的FOCUS的機(jī)械部分。https://bbs.kechuang.org/t/64874 做好了測(cè)試了,，想發(fā)帖結(jié)果沒(méi)有時(shí)間整理了�,，F(xiàn)在想想轉(zhuǎn)眼間三年已經(jīng)過(guò)去了，時(shí)間真像東流之水一去不復(fù)返啊,。

首先兩缸體的絲桿進(jìn)行了修改,，由于focus設(shè)計(jì)時(shí)間早，對(duì)轉(zhuǎn)移比概念認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致兩缸體積大小相等,，我對(duì)絲桿進(jìn)行更換采用M8 12mm導(dǎo)程與M8 8mm導(dǎo)程的T型絲桿,。其次對(duì)行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行了更換。原裝的focus是采用光電開(kāi)關(guān),。我更換為輕觸開(kāi)關(guān),。主要是光電開(kāi)關(guān)在focus上使用有大量問(wèn)題。其次對(duì)激光器進(jìn)行更換,，原裝采用200mw激光器我先更換為兩個(gè)2000Mw,，來(lái)不方便更換為5000mw。

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