選擇性激光燒結在3D打印中的應用

馬旭東

（長春汽車工業(yè)高等專科學校，吉林 長春 130013）

選擇性激光燒結在3D打印中的應用

馬旭東

（長春汽車工業(yè)高等專科學校，吉林 長春 130013）

選擇性激光燒結是快速成型技術中一個重要分支。它是材料科學、計算機技術、機械工程和光學工程等學科的高度集成。文章綜述選擇性激光燒結的特點與常規(guī)冶金方法的異同。介紹了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并指出了當前研究存在的問題，提出了廣闊的前景。

SLS；快速成型；3D；打印

選擇性激光燒結技術（簡稱SLS）是一種可以直接制造近終端零件、終端產(chǎn)品的3D打印技術[1]。它將激光燒結技術與激光熔覆技術相結合，通常是利用純金屬粉末或合金粉末直接制造出表面粗糙度較好、尺寸精度較高和致密性接近100%，具有冶金性質(zhì)的金屬零件[2]。SLS工藝在金屬3D打印中具有獨特的優(yōu)勢，逐步的應用到實踐生產(chǎn)中。

1 選擇性激光燒結工藝簡介

SLS最大的優(yōu)勢就是自由成形、無需模壓過程。并且適用SLS工藝材料種類寬泛、不需要支撐結構，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，節(jié)約了企業(yè)的成本。可以從金屬粉末和粘結劑混合燒結，金屬粉末燒結和金屬粉末壓坯燒結這三個方面對金屬粉末進行制造成型。其工藝原理如圖1所示。

圖1 SLS技術的快速成型系統(tǒng)工藝原理

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

德國EOS公司一直都是全球3D打印技術（SLS）的領導者。它自行研發(fā)選擇性激光燒結最新的Eosint M 280的系統(tǒng)，不受傳統(tǒng)的加工限制，更加貼合產(chǎn)品的外形輪廓，使極端復雜的結構設計得到了實現(xiàn)。特別是在注塑模具設計上，給水路位置和形狀的設計提供更加廣闊的思路[3]。DTM公司推出Rapid Steel制造技術，開發(fā)了覆膜金屬粉末材料的燒結方案。該公司最新研制的Laser Form A6型材料，改善了SLS燒結模具零件的強度、硬度和使用壽命。簡化了后處理工藝，提高了成型精度[4]。3D Systems公司[5]的主打產(chǎn)品Sinterstation HiQ系列產(chǎn)品采用的智能溫控系統(tǒng)提高了成型質(zhì)量并因此減少了后處理所需時間，同時提高了材料的利用率。Sinterstation HS系列產(chǎn)品的激光器為100W，加之高速的激光傳輸系統(tǒng)成型速度是Sinterstation HiQ產(chǎn)品的1.8倍，適用于多種打印材料。

我國從90年代就已經(jīng)開展SLS工藝的相關研究工作，國內(nèi)有多家從事研究選擇性激光燒結系統(tǒng)以及相適用材料的學校及研究所，并且在諸多方面取得令人矚目的成就。2000年北京隆源成功研制出復雜內(nèi)腔金屬零件的快速鑄造工藝；2009年開發(fā)出鑄造覆膜砂燒結成型的專業(yè)設備，并成功用于汽車發(fā)動機缸體和缸蓋的快速開發(fā)；2011年華曙高科成功研制出我國首臺選擇性激光燒結設備FS401α機，使我國成為繼美國3Dsystems、德國EOS外，世界上第三家高端選擇性激光燒結設備制造商。2012年華曙高科成功研制出PA3-C尼龍材料，使我國成為世界上第二家尼龍材料的制造商。華中科技大學快速成形中心長期以來一直進行快速成形裝備、工藝以及材料方面的研究。經(jīng)過多年的研究，成功開發(fā)出一系列選擇性激光燒結系統(tǒng)。

3 發(fā)展前景分析

選擇性激光燒結作為3D打印的發(fā)展較早的一類，發(fā)展也遇到了瓶頸。其設備價格昂貴，也給它的大規(guī)模推廣帶來困難。一方面產(chǎn)品制造效率較低，滿足不了量產(chǎn)需求，另一方面打印精度工藝缺陷顯著影響著零件的精度。材料方面，可以打印掌握的材料有限，高端的產(chǎn)品打印，無論是材料、工藝還是設備都受制于外國專利。

國內(nèi)外針對SLS的研究主要是設備、材料燒結方案和激光燒結系統(tǒng)的研制與開發(fā)。在SLS設備未來的研究中，①集中在打印速度的提升；②提高設備對各種打印材料的適應能力；③大力降低設備制造成本。在3D打印技術逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的過程中，打印材料的開發(fā)以及對應材料打印方案的確定一定會完成標準化，令每一種設備、材料和方案都實現(xiàn)完美匹配。目前市面上主流的3D打印材料和對應的燒結方案主要由Stratasys公司、3D Systems和EOS公司開發(fā)。而國內(nèi)高端產(chǎn)品的打印材料仍然依賴進口，并且價格昂貴。國內(nèi)要想普及和大力發(fā)展3D打印，必須要突破國外在技術和專利上的封鎖[3-5]，開發(fā)出擁有自主產(chǎn)權的材料和其燒結方案。選擇性激光燒結（SLS）的一系列專利，其中包含該技術對鋁、銅以及鋼鐵等多種材質(zhì)進行打印的專利已于2014年到期，這無疑給3D打印的迅速發(fā)展，工業(yè)工程的發(fā)展帶來巨變。

4 結束語

隨著激光技術的不斷發(fā)展，3D打印技術迅速崛起，可以實現(xiàn)以往難以實現(xiàn)的設計。SLS在打印金屬材料的優(yōu)勢不斷被挖掘，展現(xiàn)出廣闊的應用前景，豐富和發(fā)展了3D打印技術，汽車、航天、模具、電氣等諸多工程領域產(chǎn)生重大影響，會進一步推進制造業(yè)的技術革新。

[1]陳思翰,劉福興.用選擇性激光燒結技術制作陶瓷原件研究[J].西安交通大學學報,2011,45(11):116-120.

[2]文進希.3D打印—智造建筑[J].住宅與房地產(chǎn),2016,(2):73-74.

[3]董新蕊.3D打印行業(yè)巨頭德國E0S公司專利分析[J].中國發(fā)明與專利,2013,(12):45-50.

[4]史玉升,閆春澤,魏青松,等.選擇性激光燒結3D打印用高分子復合材料[J].中國科學:信息科學,2015,45(2):204-211.

[5]薛亮.3D打印雙雄會—Stratasys與3D Systems專利布局對比分析[J].中國發(fā)明與專利,2013,(5):48-53.

TD464

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2096-2789（2016）11-0071-01