【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(guó)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(gòu)。幾十年來(lái)，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(guó)內(nèi)方面，已有多家單位開(kāi)展了對(duì)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)噴射粘結(jié)劑來(lái)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(guò)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(gè)層面完成燒結(jié)之后，打印平臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，鋪粉系統(tǒng)為打印平臺(tái)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(gè)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(lái)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(shì)&技術(shù)限制

SLS優(yōu)勢(shì)：

1．可使用材料廣泛�？墒褂玫牟牧习�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(wú)需支撐。由于未燒結(jié)的粉末可以對(duì)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(gòu)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(duì)原料進(jìn)行長(zhǎng)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：?jiǎn)我唤饘俜勰�、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(duì)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(duì)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(lái)源：desingnswan.com）

利用SLS技術(shù)制成的金屬藝術(shù)品（圖片來(lái)源：南極熊）

目前，SLS發(fā)明人Dechard組建的美國(guó)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(lái)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(wàn)件/副，也可以用來(lái)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(guó)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(guò)熔化的黏合劑將陶瓷粉末黏結(jié)起來(lái)成型，最后通過(guò)后處理來(lái)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(wú)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(guò)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(lái)源：dentalcompare.com）

Shapeways公司利用SLS技術(shù)制成的陶瓷花瓶（圖片來(lái)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(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。

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(lái)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(lái)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(lái)源：3D Systems）

目前，國(guó)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(guó)DTM公司），其熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)良。

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

3. Polycarbonate（聚碳酸酯粉末，美國(guó)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(guó)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(lèi)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(gè)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(hù)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(gè)問(wèn)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(méi)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(lái)源：3dprint.com）

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