3D打印技術(shù)原理——激光燒結(jié)式SLS

激光燒結(jié)式SLS

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，作為增材制造的主流技術(shù)之一，在原型制造、模具開(kāi)發(fā)、逆向工程、新型材料的制備與研發(fā)方面得到了大量應(yīng)用。該工藝由美國(guó)德克薩斯大學(xué)提出，于1992年開(kāi)發(fā)了商業(yè)成型機(jī)，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，與此技術(shù)相關(guān)的設(shè)備、工藝和應(yīng)用都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，逐漸成為增材制造領(lǐng)域重要的技術(shù)分支，具有著光明的應(yīng)用前景。

技術(shù)原理

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)以激光為熱源對(duì)粉末材料進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層堆積成三維實(shí)體的成型工藝。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)使用的材料可分為兩大類，覆膜材料與不覆膜材料。覆膜材料有多種類型，如覆膜砂、覆膜316L不銹鋼粉、覆膜420不銹鋼粉、覆膜陶瓷粉末等，不覆膜材料包括蠟粉、PS、ABS、尼龍等。其中覆膜材料是由聚合物包裹著金屬粉末或者砂等粉末，經(jīng)激光燒結(jié)成的構(gòu)件強(qiáng)度低，干燥脫濕后需要放入高溫爐進(jìn)行燒結(jié)、滲銅，zuihou形成表面致密的零件。不覆膜材料則是由含有不同熔點(diǎn)、不同收縮率的金屬間化合物組成的金屬粉末或高分子材料組成的混合粉末，這類材料不需再進(jìn)行燒結(jié)處理，而且所需激光功率較小。

在開(kāi)始加工之前，先將充有惰性氣氛（氬氣或氮?dú)猓┑墓ぷ魇疑郎?，并保持在粉末的熔點(diǎn)以下。成型時(shí)，送料筒上升，鋪粉滾筒移動(dòng)，先在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照截面輪廓對(duì)實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。

在激光燒結(jié)的過(guò)程中，覆膜材料由于其中的金屬顆?；蛏胺?被聚合物粘結(jié)劑所包圍，因而覆膜粉末在接受激光燒結(jié)時(shí)基本相當(dāng)于聚合物黏結(jié)劑本身接受燒結(jié)，對(duì)于激光的吸收率較高。因此，覆膜粉末的激光吸收率即為聚合物黏結(jié)劑的吸收率。燒結(jié)過(guò)程中表面的聚合物黏結(jié)劑層吸收激光能量，溫度升高，彼此間發(fā)生燒結(jié)，形成燒結(jié)頸，燒結(jié)機(jī)理屬于黏性流動(dòng)機(jī)制。

工藝過(guò)程

選擇性激光燒結(jié)的工藝過(guò)程，大體上分為以下五步：

1）首先使用三維軟件或掃描儀得到需要制造的三維模型，接著將三維模型轉(zhuǎn)化為中間格式如stl格式；

2）使用快速成型軟件對(duì)待制造模型進(jìn)行分層、切片以及部分修改和支撐處理，然后對(duì)切片后的文件進(jìn)行掃描路徑和優(yōu)化設(shè)置得到設(shè)備可以讀取的文件；

3）設(shè)備裝好粉料，將待加工文件導(dǎo)入設(shè)備，做好加工準(zhǔn)備，設(shè)置加工參數(shù)進(jìn)行零件加工；

4）根據(jù)零件使用要求及粉末材料的種類對(duì)制造出的零件選擇合適的燒結(jié)或熱處理工藝；

5）對(duì)零件進(jìn)形zui終后處理，如噴砂、打磨拋光或二次加工以提高零件表面質(zhì)量和尺寸精度，得到zui終樣件。

技術(shù)特點(diǎn)

選擇性激光熔化的其主要技術(shù)特征是成型的gaoxiao性，能自動(dòng)、快捷、地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變成一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零部件，使jintian設(shè)計(jì)，明天成品成為可能。

具體來(lái)說(shuō)，該技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

1）使用增材制造技術(shù)，避免了傳統(tǒng)制造過(guò)程中的開(kāi)模、機(jī)加、焊接、鑄造、裝配等過(guò)程，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，節(jié)省時(shí)間成本；

2）使用增材制造技術(shù)，分層疊加成型，材料利用率高達(dá)99.99%，節(jié)省材料成本；

3）制造過(guò)程與零件的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，且隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的上升，使用選擇性激光熔化技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)。  

4）選擇性激光熔化技術(shù)解放了設(shè)計(jì)者的思想，設(shè)計(jì)人員可以有更為開(kāi)闊的空間對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，而無(wú)須考慮制作過(guò)程。

典型設(shè)備

選擇性激光燒結(jié)工藝的zui初思想是由Texas大學(xué)Austin分校的Deckard于1986 年提出，進(jìn)而DTM、德國(guó)的EOS公司先后將這一思想轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)。其中德國(guó)的EOS公司通過(guò)與芬蘭的Rapid Product Innovation公司合作，研制出可用于SLS成形的不收縮銅粉和不銹鋼粉末，使得SLS技術(shù)拓展到金屬材料成形領(lǐng)域。中國(guó)從事該技術(shù)研究的單位有北京隆源公司、南京航天航空大學(xué)和華中科技大學(xué)等。