干貨——3D打印SLS技術(shù)詳解

3D打印（3D Printing）技術(shù)（又名快速成型技術(shù),，PRM）,，是在計(jì)算機(jī)控制下，基于“增材制造”原理,，立體逐層堆積離散材料,，進(jìn)行零件原型或最終產(chǎn)品的成型與制造的技術(shù)。該技術(shù)以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本,，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng),，將3D實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)2D平面，利用激光束,、電子束,、熱熔噴嘴等方式將粉末、熱塑性材料等特殊材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié),，最終疊加成型,，制造出實(shí)體產(chǎn)品[1]。

3D打印工藝原理
經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種3D打印技術(shù)路徑,，從大類上劃分為擠出成型,、粒狀物料成型、光聚合成型和其他成型幾大類,，基礎(chǔ)成型主要代表技術(shù)路徑為熔融沉積成型（FDM）,；粒狀物成型技術(shù)路徑主要包括電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）,、三維打�,。�3DP）、選擇性熱燒結(jié)（SHS）等,；光聚合成型主要包括光固化（SLA）,、數(shù)字光處理（DLP）、聚合物噴射（PI）,；其他技術(shù)包括激光熔覆快速制造技術(shù)（LENS）,、熔絲制造（FFF）、融化壓模（MEM）,、層壓板制造（LOM）等,。
3D打印主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)

其中FDM、SLA,、LOM,、SLS、3DP為主流技術(shù),，熔融沉積成型FDM工藝一般是熱塑性材料,，以絲狀形態(tài)供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化,，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出,，材料迅速凝固,，并與周圍的材料凝結(jié)；光固化快速成形SLA,，又稱立體光刻,、光成形等，是一種采用激光束逐點(diǎn)掃描液態(tài)光敏樹(shù)脂使之固化的快速成型工藝,；疊層實(shí)體制造LOM工藝是快速原型技術(shù)中具有代表性的技術(shù)之一,，是基于激光切割薄片材料、由黏結(jié)劑黏結(jié)各層成形,；選擇性激光燒結(jié)SLS工藝,，是采用紅外激光作為熱源來(lái)燒結(jié)粉末材料，并以逐層堆積方式成形三維零件的一種快速成形技術(shù),；3DP工藝與SLS工藝類似,，采用粉末材料成形,，如陶瓷粉末，金屬粉末,。所不同的是材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連接起來(lái)的,，而是通過(guò)噴頭用粘接劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

國(guó)內(nèi)快速成形研究起步在1991年[2],。清華大學(xué),、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué),、南京航空航天大學(xué),、浙江大學(xué)等高等院校相繼開(kāi)展了成型理論、工藝方法,、設(shè)備,、軟件、材料等配套技術(shù)的研究,。各大學(xué)及主要研究機(jī)構(gòu)針對(duì)3D打印研究的方向及進(jìn)展情況如下:
清華大學(xué):開(kāi)展SLA, LOM, FDM, SLS基礎(chǔ)理論,、工藝以及RPM工藝集成的研究，研制了基于FDM的熔融沉積造型系統(tǒng)FDM-250以及基于LOM+FDM工藝的多功能平臺(tái)的M-RPMS系統(tǒng):進(jìn)行光固化樹(shù)脂研究,，成功解決了FDM用蠟絲材制備,，正在進(jìn)行ABS絲材的研制。
西安交通大學(xué):開(kāi)展SLA,FDM工藝研究,，開(kāi)發(fā)出了一種SLA工藝的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)和一種工業(yè)化樣機(jī)(RP),，開(kāi)發(fā)出性能與國(guó)外光敏樹(shù)脂相近的樹(shù)脂材料。
華中科技大學(xué):開(kāi)展LOM工藝研究,，開(kāi)發(fā)出采用LOM工藝的HRP系統(tǒng),，進(jìn)行了LOM用疊層材料研究，研制出LOM工藝用紙及粘結(jié)劑并進(jìn)行了優(yōu)選,。
浙江大學(xué):開(kāi)展光敏固化樹(shù)脂材料及精度的研究。
北京隆源公司:采用美國(guó)技術(shù)推出了商品化的AFS-300系統(tǒng),，進(jìn)行SLS工藝研究并提供原型服務(wù),，研制了用于SLS工藝的樹(shù)脂砂及蠟基材料。
南京航空航天大學(xué):主要從事SLS工藝及設(shè)備的研究,，已經(jīng)研制出一臺(tái)激光選區(qū)燒結(jié)原型樣機(jī)(RAP-I ),，同時(shí)還進(jìn)行燒結(jié)工藝、快速模具和快速精鑄方面的研究,。

直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（DMLS）
通過(guò)使用高能量的激光束再由3D模型數(shù)據(jù)控制來(lái)局部熔化金屬基體,，同時(shí)燒結(jié)固化粉末金屬材料并自動(dòng)地層層堆疊，以生成致密的幾何形狀的實(shí)體零件,。這種零件制造工藝被稱為“直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（Direct Metal Laser-Sintering）”,。南極熊3D打印網(wǎng)上有一些相關(guān)方面的開(kāi)源技術(shù)資料,。
通過(guò)選用不同的燒結(jié)材料和調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以生成性能差異變化很大的零件,，從具有多孔性的透氣鋼,，到耐腐蝕的不銹鋼再到組織致密的模具鋼。這種離散法制造技術(shù)甚至能夠直接制造出非常復(fù)雜的零件,，避免了采用銑削和放電加工,，為設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。

DMLS詳細(xì)技術(shù)原理

早些年只有相對(duì)軟的材料適用這種技術(shù),，而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,，適用領(lǐng)域也擴(kuò)展到了塑料、金屬壓鑄和沖壓等各種量產(chǎn)模具,。應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)不僅是周期短,，而且使模具設(shè)計(jì)師能夠把心思集中在如何建構(gòu)最佳的幾何造型，而不用考慮加工的可行性上,。結(jié)合CAD和CAE技術(shù)可以制造出任意冷卻水路的模具結(jié)構(gòu),。

DMLS是金屬粉體成型，有同軸送粉和輥筒送粉兩類,。同軸送粉的技術(shù)適合制造分層厚度在1mm以上物件,，大型的金屬件，目前我國(guó)最大的工件居然是核電部件,，在四川制造,。一些航空部件西工和北理工開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化了。輥筒送粉的產(chǎn)品精細(xì)度高,，適合制造小型部件,，因?yàn)橹圃爝^(guò)程部件很容易熱變形。制造空間超過(guò)電腦機(jī)箱大小都是很困難的,。以上幾類3D打印其實(shí)都是對(duì)應(yīng)了材料的熱曲線,，需要材料配合，以金屬粉體為例,，既涉及到粉體粒徑形貌又涉及到粒徑搭配，還需要熱處理使得馬氏體和奧氏體之間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,。

DMLS技術(shù)由德國(guó)EOS公司開(kāi)發(fā),，與SLS和SLM技術(shù)原理非常類似。EOS公司出品的EOSINT M 系列機(jī)型也非常類似3D Systems 公司的 sPro 系列機(jī)型,。M系列能打印鋁,，鈷鉻合金，鈦,，鎳合金和鋼,。
適用材料：幾乎任何合金

選擇性激光熔融技術(shù)（SLM）
SLM技術(shù)由德國(guó)夫瑯和費(fèi)學(xué)院于1995年與當(dāng)時(shí)的F&S Stereolithographietechnik公司合作研發(fā)并申請(qǐng)獲得相關(guān)專利,。2000年早期F&S與德國(guó)MCP HEK公司（后來(lái)稱為MTT科技公司，又改為SLM Solutions公司）達(dá)成商業(yè)合作,。如今,，SLM技術(shù)的創(chuàng)始人Dieter Schwarze 博士在SLM Solutions公司，而Matthias Fockele博士則創(chuàng)立了Realizer公司,。

SLM技術(shù)是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化,、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)。在高激光能量密度作用下,，金屬粉末完全熔化,，經(jīng)散熱冷卻后可實(shí)現(xiàn)與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術(shù)正是通過(guò)此過(guò)程,，層層累積成型出三維實(shí)體的快速成型技術(shù),。

SLM詳細(xì)技術(shù)原理

3D Systems公司也出品了采用SLM技術(shù)的金屬3D打印機(jī)：SPro125和250。3D Systems 公司稱它們?yōu)橹苯咏饘龠x擇性激光熔融（Direct Metal SLM）,。它們能生產(chǎn)高精度,，高復(fù)雜度的金屬零件。打印層厚可達(dá)20微米,，可打印的金屬包括鈦,，不銹鋼，鈷鉻合金,，工具鋼等,，所以能夠應(yīng)用在航空領(lǐng)域（比如帶冷卻倉(cāng)的超高效散熱片的一體化打印）,，以及醫(yī)療保健領(lǐng)域（比如超復(fù)雜形狀的金屬下顎）等等,。
適用材料：鈦合金、鈷鉻合金,、不銹鋼,、鋁

選擇性熱燒結(jié)成型技術(shù)（SHS）
Selective Sintering（選擇性熱燒結(jié)）技術(shù)始于3D印刷工場(chǎng)，這家創(chuàng)新的丹麥企業(yè)成立于2009年,，旨在創(chuàng)造一種“辦公室3D打印機(jī)”,，實(shí)惠的價(jià)格和高質(zhì)量的印刷。

他們的專利SHS（選擇性熱燒結(jié)）在2011年推出3D印刷技術(shù)在EUROMOLD,。它類似于激光燒結(jié),，但是，而不是使用激光SHS使用的熱打印頭,。被保持在升高的溫度下,，這樣的機(jī)械掃描頭只需要提升的溫度稍高于粉末的熔融溫度，以選擇性地結(jié)合,，粉末床,。

它是如何工作的,？首先它被切成層，使用另一種方案,，在CAD軟件設(shè)計(jì)的三維模型,。當(dāng)按下“打印”按鈕，打印機(jī)蔓延在整個(gè)構(gòu)建室一層薄薄的塑料粉末,。感熱式打印頭開(kāi)始來(lái)回移動(dòng),，從打印頭的熱熔融到塑料粉末層中的每個(gè)橫截面。再次三維打印機(jī),，塑料粉末,，準(zhǔn)備新的層，感熱式打印頭,，繼續(xù)加熱到粉末層,。最終的三維模型是在編譯室 - 由未熔化粉末包圍。未使用的粉是100％可回收,，沒(méi)有必要額外的支持材料,。

隨著選擇性熱燒結(jié)技術(shù)的3D打印機(jī)可以使任何復(fù)雜的幾何形狀（最小壁厚為1毫米）的形成�,？梢约虞d多個(gè)3D模型,，并打印在同一時(shí)間。
適用材料：熱塑性粉末

選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）
選擇性激光燒結(jié)工藝（Selective Laser Sintering,，SLS）,，該工藝最早是由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其碩士論文中提出的，隨后C.R.Dechard創(chuàng)立了DTM公司并于1992年發(fā)布了基于SLS技術(shù)的工業(yè)級(jí)商用3D打印機(jī)Sinterstation,。

二十年多年來(lái)奧斯汀分校和DTM公司在SLS工藝領(lǐng)域投入了大量的研究工作,，在設(shè)備研制和工藝、材料開(kāi)發(fā)上都取得了豐碩的成果,。德國(guó)的EOS公司針對(duì)SLS工藝也進(jìn)行了大量的研究工作并且已開(kāi)發(fā)出一系列的工業(yè)級(jí)SLS快速成型設(shè)備,，在2012年的歐洲模具展上EOS公司研發(fā)的3D打印設(shè)備大放異彩。

在國(guó)內(nèi)也有許多科研單位開(kāi)展了對(duì)SLS工藝的研究,，如南京航空航天大學(xué),、中北大學(xué)、華中科技大學(xué),、武漢濱湖機(jī)電產(chǎn)業(yè)有限公司,、北京隆源自動(dòng)成型有限公司、湖南華曙高科等

SLS工藝使用的是粉末狀材料,，激光器在計(jì)算機(jī)的操控下對(duì)粉末進(jìn)行掃描照射而實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，就這樣材料層層堆積實(shí)現(xiàn)成型,，如圖所示為SLS的成型原理：

SLS詳細(xì)技術(shù)原理

選擇性激光燒結(jié)加工的過(guò)程先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面,，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn),，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。

當(dāng)一層截面燒結(jié)完后工作臺(tái)將下降一個(gè)層厚,，這時(shí)壓輥又會(huì)均勻地在上面鋪上一層粉末并開(kāi)始新一層截面的燒結(jié),，如此反復(fù)操作直接工件完全成型。

在成型的過(guò)程中,，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對(duì)模型的空腔和懸臂起著支撐的作用,，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那樣需要支撐結(jié)構(gòu)。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對(duì)豐富些,，主要有石蠟,、聚碳酸酯、尼龍,、纖細(xì)尼龍,、合成尼龍、陶瓷甚至還可以是金屬,。

當(dāng)工件完全成型并完全冷卻后,，工作臺(tái)將上升至原來(lái)的高度，此時(shí)需要把工件取出使用刷子或壓縮空氣把模型表層的粉末去掉,。

SLS工藝支持多種材料,，成型工件無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，而且材料利用率較高,。盡管這樣SLS設(shè)備的價(jià)格和材料價(jià)格仍然十分昂貴,，燒結(jié)前材料需要預(yù)熱，燒結(jié)過(guò)程中材料會(huì)揮發(fā)出異味,，設(shè)備工作環(huán)境要求相對(duì)苛刻,。

適用材料：熱塑性塑料、金屬粉末,、陶瓷粉末

1. SLS工藝的發(fā)展歷程

1986年美國(guó)Texas大學(xué)的研究生Deckard提出了選擇性激光燒結(jié)成形(Selective Laser Sintering,SLS)的思想,，并于1989獲得了第一個(gè)SLS技術(shù)專利[3]。這是一種用紅外激光作為熱源來(lái)燒結(jié)粉末材料成形的快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping, RP),。同其它快速成形技術(shù)一樣,，SLS技術(shù)采用離散/堆積成形的原理，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造,，將固體粉末材料直接成形為三維實(shí)體零件,，不受成形零件形狀復(fù)雜程度的限制，不需任何工裝模具,。

1992年美國(guó)DTM公司推出Sinterstation 2000系列商品化SLS成形機(jī),，隨后分別于1996年、1998年推出了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的SLS成形機(jī)Sinterstation 2500和Sinterstation 2500plus，同時(shí)開(kāi)發(fā)出多種燒結(jié)材料,，可直接制造蠟?zāi)＜八芰�,、陶瓷和金屬零件。由于該技術(shù)在新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā),、模具制造,、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)等方面均顯示出廣闊的應(yīng)用前景，因此,，SLS技術(shù)在十多年時(shí)間內(nèi)得到迅速發(fā)展,，現(xiàn)己成為技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速成形技術(shù)之一,。

世界上另一個(gè)在SLS技術(shù)方面占有重要地位的是德國(guó)的EOS公司,。EOS公司成立于1989年，1994年EOS公司先后推出了三個(gè)系列的SLS成形機(jī),，其中EOSINT P用于燒結(jié)熱塑性塑料粉末,，制造塑料功能件及熔模鑄造和真空鑄造的原型;EOSINTM用于金屬粉末的直接燒結(jié)，制造金屬模具和金屬零件;EOSINT S用于直接燒結(jié)樹(shù)脂砂,，制造復(fù)雜的鑄造砂型和砂芯,。 EOS公司對(duì)這些成形設(shè)備的硬件和軟件進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和升級(jí)，使得設(shè)備的成形速度更快,、成形精度更高,、操作更方便，并能制造尺寸更大的燒結(jié)件,。近年來(lái)EOS公司的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁,，其產(chǎn)品在美國(guó)市場(chǎng)上都占有了一定的份額[2]。

2. SLS工藝原理

首先,，在計(jì)算機(jī)中建立所要制備試樣的CAD模形,，然后用分層軟件對(duì)其進(jìn)行處理得到每一加工層面的數(shù)據(jù)信息。成形時(shí),，設(shè)定好預(yù)熱溫度,、激光功率、掃描速度,、掃描路徑,、單層厚度等工藝條件，先在工作臺(tái)上用輥筒鋪一層粉末材料,，由CO2激光器發(fā)出的激光束在計(jì)算機(jī)的控制下,，根據(jù)幾何形體各層橫截面的CAD數(shù)據(jù)，有選擇地對(duì)粉末層進(jìn)行掃描,，在激光照射的位置上,，粉末材料被燒結(jié)在一起,，未被激光照射的粉末仍呈松散狀，作為成形件和下一層粉末的支撐;一層燒結(jié)完成后,，工作臺(tái)下降一截面層的高度,，再進(jìn)行下一層鋪粉、燒結(jié),，新的一層和前一層自然地?zé)Y(jié)在一起，全部燒結(jié)完成后除去未被燒結(jié)的多余粉末,，便得到所要制備的試樣[3],。

2.1. 選擇性激光燒結(jié)的工藝特點(diǎn)

同其它快速成形技術(shù)相比，SLS具有以下特點(diǎn)[2-5]:

(1)可采用多種材料,。從理論上講,，這種方法可采用加熱時(shí)粘度降低的任何粉末材料，從高分子材料粉末到金屬粉末,、陶瓷粉末,、石英砂粉都可用作燒結(jié)材料。

(2)制造工藝簡(jiǎn)單,。由于未燒結(jié)的粉末可對(duì)模型的空腔和懸臂部分起支撐作用,，不必像立體印刷成形(Stereo Lithography Apparatus, SLA)和熔融沉積成形(Fused Deposition Moldeling, FDM)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)雜的原形及部件,。

(3)材料利用率高,。未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用，無(wú)材料浪費(fèi),，成本較低,。

(4)成形精度依賴于所使用材料的種類、粒徑,、產(chǎn)品的幾何形狀及其復(fù)雜程度等,，原形精度可達(dá)±1%。

(5)應(yīng)用廣泛,。由于成形材料的多樣化,，可以選用不同的成形材料制作不同用途的燒結(jié)件，如制作用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和功能測(cè)試的塑料功能件,、金屬零件和模具,、精密鑄造用蠟?zāi)：蜕靶汀⑸靶镜取?br />
2.2 SLS技術(shù)分為兩類：直接SLS技術(shù)與間接SLS技術(shù),。

(1)直接SLS技術(shù): 即采用含有至少兩種以上熔點(diǎn)成份的金屬粉末(低熔點(diǎn)金屬粉末作為粘結(jié)劑,，高熔點(diǎn)金屬粉末作為結(jié)構(gòu)材料)，通過(guò)大功率激光器掃描熔化低熔點(diǎn)成份,，在表面張力作用下潤(rùn)濕并填充未熔化高熔點(diǎn)結(jié)構(gòu)金屬粉末顆粒間隙,，然后將結(jié)構(gòu)材料粘結(jié)起來(lái)，燒結(jié)成致密金屬零件或者模具的方法。直接SLS成形材料主要有:Ni-Sn, Fe-Sn, Cu-Sn, Fe-Cu與Ni-Cu等,。

在國(guó)外,，目前能夠代表直接SLS技術(shù)先進(jìn)水平的研究機(jī)構(gòu)主要為德國(guó)EOS。該公司不僅研究出擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SLS系統(tǒng),，而且開(kāi)發(fā)了SLS專用金屬材料,，并進(jìn)行了相關(guān)金屬零件或者模具的制造。在國(guó)內(nèi),，代表直接SLS技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)主要為南京航空航天大學(xué)等機(jī)構(gòu),。

(2)間接SLS技術(shù): 即采用高分子聚合物材料作粘結(jié)劑(例如:PA, PC, PEP與PMMA等)，通過(guò)激光束掃描熔化高分子材料將高熔點(diǎn)結(jié)構(gòu)粉末粘結(jié)起來(lái)形成SLS原型件的方法,。目前間接SLS金屬?gòu)?fù)合材料包括高分子聚合物覆膜金屬材料與高分子聚合物/金屬混合復(fù)合材料,。

在國(guó)外，目前代表間接SLS技術(shù)先進(jìn)水平的研究機(jī)構(gòu)主要為美國(guó)3D System 公司,。在國(guó)內(nèi),，目前代表間接SLS技術(shù)先進(jìn)水平的研究機(jī)構(gòu)主要有華中科技大學(xué)與北京隆源公司等，另外,，南京航空航天大學(xué),、華南理工大學(xué)、華北工學(xué)院,、西北工業(yè)大學(xué),、湖南大學(xué)與中北大學(xué)等也對(duì)間接SLS技術(shù)開(kāi)展了研究，內(nèi)容主要集中在SLS系統(tǒng),、材料,、成形工藝、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)仿真等方面,。

3. SLS工藝的原材料

燒結(jié)材料是SLS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié),，它對(duì)燒結(jié)件的成形速度和精度及其物理機(jī)械性能起著決定性作用，直接影響到燒結(jié)件的應(yīng)用以及SLS技術(shù)與其他快速成形技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力,。目前已開(kāi)發(fā)出多種激光燒結(jié)材料,，按材料性質(zhì)可分為以下幾類:金屬基粉末材料、陶瓷基粉末材料,、覆膜砂,、高分子基粉末材料等[4-8]。

A 金屬基粉末材料
金屬基粉末材料主要有兩大類,，一類是用聚合物作粘結(jié)劑的金屬粉末,，包括用有機(jī)聚合物包覆金屬粉末材料制得的覆膜金屬粉末(如DTM公司的RapidSteel 2.0)及金屬與有機(jī)聚合物的混合粉末。這類金屬粉末在激光燒結(jié)過(guò)程中,，金屬顆粒被有機(jī)聚合物粘結(jié)在一起,，形成零件初坯(Green Part),，初坯經(jīng)過(guò)高溫脫除有機(jī)聚合物、滲銅等后處理,，可制得密實(shí)的金屬零件和金屬模具,。另一類是不含有機(jī)粘合劑的金屬粉末，這類金屬粉末可用大功率的激光器直接燒結(jié)成致密度較高的功能性金屬零件和模具,。

B 陶瓷材料
陶瓷材料的燒結(jié)溫度很高,，難以直接用激光燒結(jié)成形，因此,，用于sLs工藝的陶瓷基粉末材料是加有粘結(jié)劑的陶瓷粉,。在激光燒結(jié)過(guò)程中，利用熔化的粘結(jié)劑將陶瓷粉末粘結(jié)在一起,，形成一定的形狀，然后再通過(guò)后處理以獲得足夠的強(qiáng)度,。常用的粘結(jié)劑有以下三類:
①有機(jī)粘結(jié)劑,，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），用PMMA包覆Al2O3, ZrO2, SiC等陶瓷粉末材料,，經(jīng)激光燒結(jié)成形后,，再經(jīng)過(guò)脫脂及高溫?zé)Y(jié)等后處理可以快捷地制造精密鑄造用陶瓷型殼和工程陶瓷零件;
②無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，如磷酸二氫氨,，NH4HZPO4在燒結(jié)時(shí)熔化,、分解、生成P2O5,， P2O5繼續(xù)與陶瓷基體Al2O3反應(yīng),，最終生成AlPO4， AlPO4是一種無(wú)機(jī)粘結(jié)劑,，可將陶瓷粉末粘結(jié)在一起;
③金屬粘結(jié)劑,，如鋁粉，在燒結(jié)過(guò)程中鋁粉熔化,，熔化的鋁可將Al2O3:粉末粘結(jié)在一起,，同時(shí)還有一部分鋁會(huì)在激光燒結(jié)過(guò)程中氧化，生成Al2O3,，并釋放出大量的熱,，促進(jìn)Al2O3熔融、粘結(jié),。

C 覆膜砂
覆膜砂與鑄造用熱型砂類似,，采用酚醛樹(shù)脂等熱固性樹(shù)脂包覆錯(cuò)砂、石英砂的方法制得,，如DTM公司的SandForm Zr,。在激光燒結(jié)過(guò)程中,，酚醛樹(shù)脂受熱產(chǎn)生軟化和固化，使覆膜砂粘結(jié)成型,。由于激光加熱時(shí)間很短,，酚醛樹(shù)脂在短時(shí)間內(nèi)不能完全固化，燒結(jié)件的強(qiáng)度較低,，須對(duì)燒結(jié)件進(jìn)行加熱處理,，處理后的燒結(jié)件可用作鑄造用砂型或砂芯來(lái)制造金屬鑄件。

D 高分子材料
高分子材料與金屬和陶瓷材料相比,，具有較低的成形溫度,，燒結(jié)所需的激光功率小，且其表面能低,，熔融粘度較高,，沒(méi)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,。主要的高分子材料有下面幾種：

蠟粉
傳統(tǒng)的熔模精鑄用蠟(烷烴蠟、脂肪酸蠟等),，蠟?zāi)?qiáng)度較低,，難以滿足精細(xì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的要求,，且成型精度差,，所以DTM研制了低熔點(diǎn)高分子蠟的復(fù)合材料.

聚苯乙烯(PS)
聚苯乙烯受熱后可熔化、粘結(jié),，冷卻后可以固化成瓔,，而且該材料吸濕率小，收縮率也較小,，其成型件浸樹(shù)脂后可進(jìn)一步提高強(qiáng)度,，主要性能指標(biāo)可達(dá)拉伸強(qiáng)度≥15MPa、彎曲強(qiáng)度≥33MPa,、沖擊強(qiáng)度>3MPa,，可作為原型件或功能件使用，也可用做消失模鑄造用母模生產(chǎn)金屬鑄件,，但其缺點(diǎn)是必須采用高溫燃燒法(>300℃)進(jìn)行脫模處理,，造成環(huán)境污染，因此,，對(duì)于PS粉原料,，針對(duì)鑄造消失模的使用要求一般加入助分解助劑。如DTM公司的商業(yè)化產(chǎn)品TrueForm Polymer,。其成型件可進(jìn)行消失模制造,，但其價(jià)格昂貴,。

工程塑料(ABS)
ABS與聚苯乙烯同屬熱塑性材料，其燒結(jié)成型性能與聚苯乙烯相近,，只是燒結(jié)溫度高20℃左右,，但ABS成型件強(qiáng)度較高，所以在國(guó)內(nèi)外被廣泛用于快速制造原型及功能件,。

聚碳酸酯(PC)
對(duì)聚碳酸酯燒結(jié)成型的研究比較成熟,，其成型件強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好,，且脫模容易,，主要用于制造熔模鑄造航空、醫(yī)療,、汽車工業(yè)的金屬零件用的消失模以及制作各行業(yè)通用的塑料模,。如DTM公司的DTM Polycarbanate。但聚碳酸酯價(jià)格比聚苯乙烯昂貴,。國(guó)內(nèi)北航對(duì)聚碳酸酯(PC)進(jìn)行了研究,，探討其燒結(jié)工藝過(guò)程以提高成型件精度。

尼龍(PA)
尼龍材料用SLS方法可被制成功能零件,，目前商業(yè)化廣泛使用的有4種成分的材料。
1)標(biāo)準(zhǔn)的DTM尼龍(Standard Nylon),，能被用來(lái)制作具有良好耐熱性能和耐蝕性的模型2)DTM精細(xì)尼龍(DuraForm GF),，不僅具有與DTM尼龍相同的性能，還提高了制件的尺寸精度,、降低表面粗糙度,，能制造微小特征，適合概念型和測(cè)試型制造,，但價(jià)格高,。
3)DTM醫(yī)用級(jí)的精細(xì)尼龍(Fine Nylon Medical Grade)，能通過(guò)高溫蒸壓被蒸汽消毒5個(gè)循環(huán),；
4)原型復(fù)合材料(ProtoFormTM Composite)是DuraForm GF經(jīng)玻璃強(qiáng)化的一種改性材料,，與未被強(qiáng)化的DTM尼龍相比，它具有更好的加工性能,，同時(shí)提高了耐熱性和耐腐蝕性,。
同時(shí)，EOS公司發(fā)展了一種新的尼龍粉末材料(PA3200GF,，有點(diǎn)類似于DTM的DuraForm GF),，這種材料可以產(chǎn)生高精度和很好的表面光潔度。

4. SLS （粉末燒結(jié)技術(shù) ）的優(yōu)缺點(diǎn)

SLS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：
(1)原材料種類多,。只要粉末材料在加熱時(shí)的粘度較低,，就都可以作為SLS技術(shù)的原材料,。SLS技術(shù)制造出的產(chǎn)品或者模型可以滿足多種需求。和其他的技術(shù)比較,，SLS技術(shù)可以制做金屬原型或者模具,，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
(2)工藝簡(jiǎn)單,。由于該技術(shù)可以選用粉末材料作為原材料,，通過(guò)激光燒結(jié)，能夠快速生產(chǎn)出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品原型或者模具,，因此在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛,。
(3)精度較高。精度受到粉末材料的種類,、粉末顆粒的大小,、模型的幾何結(jié)構(gòu)等影響。一般而言,，其精度可以達(dá)到0.05mm-2.5mm之間,。
(4)不需要支撐結(jié)構(gòu)。在層層疊加的過(guò)程中,，沒(méi)有燒制的粉末可以支撐懸空層面,。
(5)材料利用率高。SLS技術(shù)的材料機(jī)率用可以接近100%,，這是因?yàn)槠洳恍枰谓Y(jié)構(gòu),，也不需要基底支撐，而且粉末材料價(jià)格較低,，所以制模成本低,。
(6)變形小。SLS技術(shù)制作出的工件翹曲變形較小,，甚至不需要校正原型,。

SLS技術(shù)的缺點(diǎn)是：
(1)工作時(shí)間長(zhǎng)。在加工之前,，需要大約2小時(shí),，把粉末材料加熱到粘結(jié)熔點(diǎn)的附近，在加工之后,，需要大約5-10小時(shí),，等到工件冷卻之后，才能從粉末缸里面取出原型制件,。
(2)后處理較復(fù)雜,。SLS技術(shù)原型制件在加工過(guò)程中，是通過(guò)加熱并融化粉末材料,，實(shí)現(xiàn)逐層的粘結(jié),，因此制件的表面呈現(xiàn)出顆粒狀,，需要進(jìn)行一定的后處理。
(3)燒結(jié)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生異味,。高分子粉末材料在加熱,、融化等過(guò)程中，一般都會(huì)發(fā)出異味,。
(4)設(shè)備價(jià)格較高,。為了保障工藝過(guò)程的安全性，在加工室里面充滿了氮?dú)�,，所以提高了設(shè)備成本,。

5. 具體實(shí)例應(yīng)用
3D打印SLS工藝在汽車上的應(yīng)用
第一個(gè)方面是用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證、性能測(cè)試的手工樣件（原型件）的制作,。

第二方面是用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的直接制作,，圖中所示Daimler Chrysler發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)氣歧管，就是3D打印出來(lái)的,，可以直接裝在實(shí)車上運(yùn)行,。

第三方面是用于汽車上的輕量化結(jié)構(gòu)零件的制作，這種結(jié)構(gòu)零件在汽車上用的還不是很多,，需要汽車的設(shè)計(jì)人員,，從設(shè)計(jì)思路上創(chuàng)新，用各種蜂窩結(jié)構(gòu)來(lái)替代實(shí)心或?qū)嶓w結(jié)構(gòu),。

第四方面用于定制專用的工裝和檢測(cè)器具,，圖中所示的三個(gè)案例，最左邊是行李箱蓋的安裝用的工裝,，中間和右側(cè)的是檢測(cè)器具

第五方面是整車模型的制作,，以往是用油泥模型,，當(dāng)3D打印技術(shù)出現(xiàn)之后,，可以在一定程度上取代油泥模型。當(dāng)然,，3D打印的模型還不能像油泥模型那樣好修改,，這也是3D打印需要進(jìn)一步完善的地方，請(qǐng)關(guān)注南極熊3d打印網(wǎng),。