2.2 选择性激光烧结

1986年美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard提出了选择性激光烧结（Selective Laser Sintering , SLS）的思想，并于1989年获得了第一个SLS技术专利。1992年美国DTM公司推出商品化SLS成型机，同时开发出多种烧结材料，可直接制造蜡模、塑料、陶瓷和金属零件。该技术在新产品的研制开发、模具制造、小批量产品的生产等方面均具有广阔的应用前景，SLS技术在短时间内得以迅速发展，已成为技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。图2-5所示为使用SLS成型工艺打印的产品模型。

2.2.1 选择性激光烧结的原理

选择性激光烧结（SLS）又称选区激光烧结，是以CO2激光器为能源，利用计算机控制激光束对非金属粉末、金属粉末或复合物的粉末薄层，以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据进行扫描烧结，层层堆积，最后形成成型件。SLS技术集CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料科学技术于一体，其工艺原理如图2-6所示。

整个工艺装置由四部分组成，包括粉末缸、成型缸、激光器、计算机控制系统。工作时，在计算机中建立所要制备试样的CAD模型，然后用分层软件对其进行处理得到每一加工层面的数据信息。成型时，设定好预热温度、激光功率、扫描速度、扫描路径、单层厚度等工艺条件，先在工作台上用辊筒铺一层粉末材料，由CO2激光器发出的激光束在计算机的控制下，根据几何形体各层横截面的CAD数据，有选择地对粉末层进行扫描。在激光照射的位置上，粉末材料被烧结在一起，未被激光照射的粉末仍呈松散状，作为成型件和下一层粉末的支撑。粉末缸活塞（送粉活塞）上升，先在基体上用辊筒均匀铺上一薄层金属粉末，并将其加热至略低于材料熔点，以减少热变形，并利于与前一层面结合。然后，激光束在计算机控制光路系统的精确引导下，按照零件的分层轮廓有选择地进行烧结，使材料粉末烧结或熔化后凝固形成零件的一个层面，没有烧结的地方仍保持粉末状态，并可作为有悬臂的微结构下一层烧结的支撑。烧结完一层后，基体下移一个截面层厚，铺粉系统铺设新粉，计算机控制激光束再次扫描进行下一层的烧结。如此循环，层层叠加，就得到三维零件。最后将未烧结的粉末回收到粉末缸中，取出成型件，再进行打磨、抛光等后处理工艺，最终形成满足要求的原型或制件。其工艺流程如图2-7所示。

2.2.2 选择性激光烧结的特点

1．SLS成型工艺的优点

同其他快速成型技术相比，SLS具有以下优点:

1）可采用多种材料。从理论上讲，这种方法可采用加热时黏度降低的任何粉末材料，高分子材料粉末、金属粉末、陶瓷粉末、石英砂粉等都可用作烧结材料。

2）制造工艺简单。由于未烧结的粉末可对模型的空腔和悬臂部分起支撑作用，不必像SLA和FDM工艺那样另外设计支撑结构，因此可以直接生产形状复杂的原型及部件。

3）材料利用率高。未烧结的粉末可重复使用，无材料浪费，成本较低。

4）成型精度依赖于所使用材料的种类、粒径、产品的几何形状及其复杂程度等，原型精度可达±1%。

5）应用广泛。由于成型材料的多样化，可以选用不同的成型材料制作不同用途的烧结件，如制作用于结构验证和功能测试的塑料功能件、金属零件和模具、精密铸造用蜡模和砂型、砂芯等。

2．SLS成型工艺的缺点

1）工作时间长。在加工之前，需要大约2h把粉末材料加热到临近熔点，在加工之后需要5~10h的冷却，之后才能从粉末缸里面取出原型制件。

2）后处理较复杂。SLS技术原型制件在加工过程中，是通过加热并熔化粉末材料，实现逐层的粘接，因此制件的表面呈现出颗粒状，需要进行一定的后处理。

3）烧结过程会产生异味。高分子粉末材料在加热、熔化等过程中，一般都会产生异味。

4）设备价格较高。为了保障工艺过程的安全性，在加工室里面充满了氮气，所以设备成本较高。

3．SLS技术的分类

（1）直接SLS技术 采用含有至少两种以上熔点成分的金属粉末（低熔点金属粉末作为粘结剂，高熔点金属粉末作为结构材料），通过大功率激光器扫描熔化低熔点成分，在表面张力作用下润湿并填充未熔化高熔点结构金属粉末颗粒间隙，然后将结构材料粘接起来，烧结成致密金属零件或者模具的方法。直接SLS成型材料主要有Ni-Sn、Fe-Sn、Cu-Sn、Fe-Cu与Ni-Cu等。

在国外，能够代表直接SLS技术先进水平的研究机构主要是德国的EOS公司。该公司不仅研究出拥有知识产权的SLS系统，而且开发了SLS专用金属材料，并进行了相关金属零件或者模具的制造。在国内，代表直接SLS技术先进水平的研究机构主要为南京航空航天大学。

（2）间接SLS技术 采用高分子聚合物材料作粘结剂（如PA、PC、PEP与PMMA等），通过激光束扫描熔化高分子材料将高熔点结构粉末粘接起来形成SLS原型件的方法。间接SLS金属复合材料包括高分子聚合物覆膜金属材料与高分子聚合物/金属混合复合材料。

在国外，代表间接SLS技术先进水平的研究机构主要为美国的3D System公司。在国内，代表间接SLS技术先进水平的研究机构主要有华中科技大学、北京隆源自动成型系统有限公司等。另外，南京航空航天大学、华南理工大学、西北工业大学、湖南大学、中北大学等也对间接SLS技术开展了研究，内容主要集中在SLS系统、材料、成形工艺、温度场与应力场仿真等方面。

2.2.3 选择性激光烧结用材料

烧结材料是SLS技术发展的关键环节，它对烧结件的成型速度、精度及其物理、力学性能有着决定性作用，将直接影响烧结件的应用，以及SLS技术与其他快速成型技术的竞争力。目前已开发出多种激光烧结材料，按材料性质可分为以下几类：金属基粉末材料、陶瓷基粉末材料、覆膜砂、高分子基粉末材料等。表2-4列出了几种SLS工艺常用的打印材料。

SLS技术作为一种最早投入应用的3D打印技术，从20世纪80年代产生到现在已在多个方面取得了长足进步。但是SLS工艺仍存在很多问题,SLS成型设备的开发与改进，SLS烧结机理、烧结工艺参数的确定及优化，后处理和热处理工艺的优化等是今后的研究重点。