陕西恒通全面解析SLS 选择性激光烧结成型技术

赵苗苗

选择性激光烧结工艺（Selective Laser Sintering，SLS）最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard 于1989 年在其硕士论文中提出的，随后C. R. Dechard 创立了DTM 公司并于1992 年发布了基于SLS 技术的工业级商用3D 打印机Sinterstation。二十年多年来奥斯汀分校和DTM 公司在SLS 工艺领域投入了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上都取得了丰硕的成果。德国的EOS 公司针对SLS 工艺也进行了大量的研究工作并且已开发出一系列的工业级SLS 快速成型设备，在2012 年的欧洲模具展上EOS 公司研发的3D 打印设备大放异彩。在国内也有许多科研单位开展了对SLS 工艺的研究，如南京航空航天大学、中北大学、华中科技大学、武汉滨湖机电产业有限公司、北京隆源自动成型有限公司、湖南华曙高科等。

SLS 工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型，图所示为SLS 的成型原理。

SLS 选择性激光烧结成型技术优缺点：

优点：

1、 与其他工艺相比，能生产较硬的模具。

2、 可以采用多种原料，包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等。

3、 零件的构建时间较短，可达到1in/h高度。

4、 此种快速成型工艺无需设计和构造支撑。

缺点：

1、有激光损耗，并需要专门实验室环境，使用及维护费用高昂。

2、需要预热和冷却，后处理麻烦；

3、 快速成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。

4、 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工成本高。

5、 快速成型过程产生有毒气体和粉尘，污染环境。

SLS 选择性激光烧结成型材料：

目前，在SLS系统上已经成功的用石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料进行了烧结。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能广泛，适合多种用途，所以SLS的应用越来越广泛。

1、工程塑料(ABS)

ABS与聚苯乙烯同属热塑性材料，其烧结成型性能与聚苯乙烯相近，只是烧结温度高20℃左右，但ABS成型件强度较高，所以在国内外被广泛用于快速制造材料。

2、聚苯乙烯(PS)

聚苯乙烯受热后可熔化、粘结，冷却后可以固化成璎，而且该材料吸湿率小，收缩率也较小，其成型件浸树脂后可进一步提高强度，主要性能指标可达拉伸强度≥15MPa、弯曲强度≥33MPa、冲击强度>3MPa，可作为原型件或功能件使用，也可用做消失模铸造用母模生产金属铸件，但其缺点是必须采用高温燃烧法(>300℃)进行脱模处理，造成环境污染，因此，对于PS粉原料，针对铸造消失模的使用要求一般加入助分解助剂。

如DTM公司的商业化产品TrueForm Polymer。其成型件可进行消失模制造，但其价格昂贵，达89．5＄／kg。

3、聚碳酸酯(PC)

对聚碳酸酯烧结成型的研究比较成熟，其成型件强度高、表面质量好，且脱模容易，主要用于制造熔模铸造航空、医疗、汽车工业的金属零件用的消失模以及制作各行业通用的塑料模。如DTM公司的DTM Polycarbanate。但聚碳酸酯价格比聚苯乙烯昂贵。国内北航对聚碳酸酯(PC)进行了研究，探讨其烧结工艺过程以提高成型件精度。

4、蜡粉

传统的熔模精铸用蜡(烷烃蜡、脂肪酸蜡等)，蜡模强度较低，难以满足精细、复杂结构铸件的要求，且成型精度差，所以DTM研制了低熔点高分子蜡的复合材料。

5、尼龙(PA)

尼龙材料用SLS方法可被制成功能零件，目前商业化广泛使用的有4种成分的材料。

1)标准的DTM尼龙(Standard Nylon)，能被用来制作具有良好耐热性能和耐蚀性的模型；

2)DTM精细尼龙(DuraForm GF)，不仅具有与DTM尼龙相同的性能，还提高了制件的尺寸精度、降低表面粗糙度，能制造微小特征，适合概念型和测试型制造，但价格高达188＄／kg(人民币约1500元／kg)；

3)DTM医用级的精细尼龙(Fine Nylon Medi—cal Grade)，能通过高温蒸压被蒸汽消毒5个循环；

4)原型复合材料(ProtoFormTM Composite)是DuraForm GF经玻璃强化的一种改性材料，与未被强化的DTM尼龙相比，它具有更好的加工性能，表面粗糙度Ra=4～51“m，尺寸公差O．25 mm，同时提高了耐热性和耐腐蚀性。

同时，EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料(PA3200GF，有点类似于DTM的DuraForm GF)，这种材料可以产生高精度和很好的表面光洁度。

6、金属粉末

采用金属粉末进行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的趋势，它叮以大大加快新产品的开发速度，具有广阔的应用前景。

7、覆膜陶瓷粉末

选择性激光烧结陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘结剂，其覆膜粉末制备工艺与覆膜金属粉末类似，被包覆的陶瓷可以是Al2O3，ZrO2和SiC等，粘结剂的种类很多，有金属粘结剂和塑料粘结剂(包括树脂、聚乙烯蜡、有机玻璃等)，也可以使用无机粘结剂。如邓琦林等用Al2O3(熔点为2 050℃)为结构材料，分别以PMMA、NH4H2PO4(熔点为190℃)和Al作为粘结剂，按一定的比例混合均匀烧结，经二次烧结处理工艺后获得铸造用陶瓷型壳，用该陶瓷型壳进行浇注即获得制作的金属零件。

8、覆膜砂

覆膜砂采用热固性树脂如酚醛树脂加入锆砂、石英砂的方法制得，利用激光烧结方法，制得原型可直接用做铸造用砂型(芯)来制造金属零件，其中锆砂具有更好的铸造性能，尤其适用于具有复杂形状的有色合金铸造如镁、铝等合金的铸造。美国DTM公司的覆膜锆砂(SandForm Zr)其冷壳拉伸强度达3．3 MPa，用于汽车制造业及航空工业等砂型铸造模型及型芯的制作。型砂与低熔点的高分子材料有两种混料方法，一种是机械混合，另一种是将高分子材料加热熔化，把型砂倒入，搅拌均匀，使型砂表面覆盖一层高分子材料。覆膜砂的烧结性能好，故较常用。

9、纳米材料

对于纳米材料，由于其颗粒直径极其微小，比表面积很大。在不是很大的激光能量冲击作用下，纳米粉末就会发生飞溅，因而利用SLS方法对于单项纳米粉体材料的烧结成型比较困难。对于纳米材料激光烧结温度的控制，一般是对于聚合物纳米材料采用固相烧结的方法；对于陶瓷纳米材料的烧结采用液相烧结的方法；对于金属纳米材料由于其具有易燃、高爆炸，目前直接成型烧结研究的不是太多。Zhigang Fang在研究纳米WC-Co在烧结过程中晶粒长大时发现在烧结的最初5min内WC晶粒已经发生了充分的长大，超越100 nm达到亚微米级尺度。因此，如何通过控制烧结工艺来控制纳米晶粒在烧结过程中的晶粒长大，已经成为能否获得纳米材料的一个关键问题。

SLS 选择性激光烧结成型技术应用及经典案例分享：

选择性激光烧结快速成型(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping) 技术（简称SLS技术）由于具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点，得到了迅速的发展，正受到越来越多的重视。它的应用已从单一的模型制作向快速模具制造（Rapid Tooling, 简称 RT）及快速铸造（Quick Casting, 简称QC）等多用途方向发展。其应用领域涉及航空、航天、机械、汽车、电子、建筑、医疗及美术等行业。目前，SLS技术的应用主要包括以下几个方面。

1、快速原型制造

利用快速成型方法可以方便、快捷地制造出所需要的原型，主要是塑料（PS、PA、ABS等）原型。它在新产品的开发中具有十分重要的作用。通过原型，设计者可以很快地评估设计的合理性、可行性，并充分表达其构想，使设计的评估及修改在极短的时间内完成。因此，可以显著缩短产品开发周期，降低开发成本。

2、快速模具制造

利用SLS技术制造模具有直接法和间接法两种。直接制模是用SLS工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具；间接制模则是用快速成形件做母模或过渡模具，再通过传统的模具制造方法来制造模具。

3、快速铸造

铸造是制造业中常用的方法。在铸造生产中，模板、芯盒、蜡模压模等一般都是机加工和手工完成的，不仅加工周期长、费用高，而且精度不易保证。对于一些形状复杂的铸件，模具的制造一直是个老大难问题，快速成型技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。可以通过以下三种方法实现快速铸造。

陕西恒通智能机器有限公司介绍

陕西恒通智能机器有限公司，作为教育部快速成型工程中心的产业化实体，注册资金2796万元。公司以西安交大先进制造技术研究所为技术支持，主要研制、生产和销售各种型号的激光快速成型设备、快速模具设备及三维反求设备，同时从事快速原型制作、快速模具制造以及逆向工程服务。公司产品及服务在全国各院校、汽车电器等企业销售开展十多年，客户近万家，近年已在多个地区成功开展产学研结合的推广基地、制造中心等项目。

公司于1997年研制并销售出国内第一台光固化成型机，现已开发出激光快速成型机、紫外光快速成型机、真空浇注成型机、三维面扫描抄数机、三维数字散斑动态测量分析系统等10种型号20余个规格的系列产品以及9种型号的配套光敏树脂等多项处于国内领先、国际先进的技术成果。公司拥有多项专利，并荣获国家科技进步二等奖、国家重点新产品、以及省部级的多项奖励。公司产品及服务遍及世界各地，已成为集快速成型装备制造及快速原型服务于一体的快速成型行业领军企业。

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