選擇性激光燒結技術原材料及技術發展研究

楊 潔，王慶順，關 鶴

(沈陽大學機械工程學院，沈陽 110044)

選擇性激光燒結技術原材料及技術發展研究

楊 潔，王慶順，關 鶴

(沈陽大學機械工程學院，沈陽 110044)

選擇性激光燒結技術是RPamp;M(Rapid Prototypingamp;Manufacturing)技術中發展最快和應用最廣的技術之一，是一種基于離散—堆積原理的快速成型技術。它選材廣泛，操作簡單，產品的復雜程度不會對其產生影響，可以直接燒結成件，廣泛應用于制造業，選擇性激光燒結技術的發展受到越來越廣泛的重視。如果突破瓶頸，有望在未來一段時間內得到普及。未來隨著SLS技術的快速發展，將會對設備的研發、技術的應用、新工藝和材料的研發產生更為積極的影響，對傳統制造業邁向環保、節能、高效發展提供了巨大的推動力。介紹了選擇性激光燒結技術的成型原理和特點，概括闡述了SLS技術中應用較多的原材料的研究現狀和應用，分析SLS技術產業化存在的問題及可能解決的途徑。

選擇性激光燒結；SLS技術；快速成型；粉末材料；應用現狀；技術發展

選擇性激光燒結技術(Selective Laser Sintering，SLS)又被稱為激光選區燒結技術，是RPamp;M(Rapid Prototypingamp;Manufacturing)技術中發展最快和應用最廣的技術之一，是一種基于離散—堆積原理的快速成型技術[1]。它選材廣泛，操作簡單，產品的復雜程度不會對其產生影響，可以直接燒結成件，廣泛應用于制造業，選擇性激光燒結技術的發展受到越來越廣泛的重視[2]。如果突破瓶頸，有望在未來一段時間內得到普及。

1 選擇性激光燒結技術工作原理及其特點

SLS(Selected Laser Sintering)技術是選擇性激光燒結技術的簡稱。完整的SLS工藝是通過RP系統和CAD系統兩部分共同協同運作，通過STL文件格式交換數據。其中SLS技術采用的激光器分別為Nd:YAG激光器和CO2激光器。利用分層—疊加的工作原理，直接將粉末材料用激光能量燒結堆積為三維實體零件[3]。整個成形過程主要包括：建立CAD模型、數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等。其工作原理如圖1所示[4]。

如圖1所示，整個工藝裝置由激光器、激光光路系統、振鏡運動系統、工作臺、供粉缸、工作缸、推粉裝置構成。正式工作前需先進行CAD建模，利用AutoCAD或Pro/E等軟件虛擬生成或運用3D傳感器及其他方式生成轉化為STL格式[5]。然后進行正式的燒結處理，設置正確的參數(激光功率、預熱溫度、分層厚度、掃描速度等)，計算機根據模型切片控制激光束，對分層截面輪廓進行掃描。有選擇性的燒結粉末材料，結成一層實體輪廓，然后重新疊加一層新的粉末，激光束再進行掃描新粉層，層層疊加循環往復，直到三維零件能夠完整成型[6]。冷卻后將其取出，去除多余粉末，即可獲得所需原型件。

圖1 SLS技術原理圖[4]Fig.1 The principle diagram of the SLS technology [4]

與其他LRP方法相比，SLS方法所使用的材料廣泛。理論上只要能通過激光受熱使原子間形成黏結的粉末性材料都可以成為其成型材料。

SLS技術特點[7-10]：

A.零件的復雜程度和SLS成型過程無關。

B.產品取材寬泛。理論上，任何受熱可以黏結的粉末材料都可能被用于該技術。

C.生產周期短。少則幾個小時，多則幾十個小時，生產過程中也可以隨時修正，隨時更改。適用于小批量、單件零件的生產和新產品的開發。

D.成型精度高。當粉末材料的粒徑小于0.1 mm時，成型的精度可達±1%。

E.應用面寬泛。因其選材多樣化，可以應用于汽車、造船、航天、航空、通信、醫療等諸多行業。

2 SLS成型材料及應用現狀

SLS技術的燒結材料取粉末材料，取材寬泛，其性能可以直接影響到成型件的精度、物理性能和化學性能，制件的綜合性能也會隨之受到影響。目前，SLS燒結材料主要有：金屬粉末、尼龍、陶瓷粉末、陶瓷包衣粉(或與聚苯乙烯的混合物)等[11]。

2.1 金屬粉末材料

金屬粉末燒結成型時已成為熱點，可以直接用金屬粉末燒結成理想的塑性。按金屬粉末的成分可分為以下三種類型[12]。

2.1.1 單一成分金屬粉末

目前主要使用的單一金屬粉末有：Sn、Zn、Fe等。通常被用在低熔點金屬粉末的燒結上，而針對高熔點金屬粉末，其對操作環境的要求較高，需要在大功率激光器外加保護氣氛下工作，但是所能達到的性能卻非常單一，無法滿足所需的各種性能指標[13]。

2.1.2 多組元混合金屬粉末

其主要成分為兩種高、低熔點的金屬和其他元素混合而成。熔點較低的金屬粉末相當于黏結劑的作用，熔點較高的金屬粉末被用來作為合金的基體。在SLS成型過程中，低熔點材料被激光能量融化，浸潤固相，冷卻后低熔點的液相凝固后將高熔點的固相黏結在一起。多組元混合金屬粉末采用的低熔點材料以Sn為主，強度和熔點相對較低，導致性能較差。提高性能的主要方法為：提高其中低熔點金屬的熔點，采用更高熔點的金屬來提高合金基體強度。因此，人們越來越多關注和研究高熔點金屬粉末。

表1 單一金屬粉末發展Tab.1 The development of a single metal powder

表2 多組元混合金屬粉末發展Tab.2 The development of multiple sets of yuan mixed metal powder

2.1.3 金屬和有機黏結劑的混合粉末

二者按一定比例均勻混合而成。燒結后的成型件密度和強度都較低，所以必須經過后處理來提高其物理性能。

2.2 尼龍

尼龍(Polyamid，PA)一種結晶態的聚合物，具有韌性高、耐磨度高、燒結性能佳、耐熱性能好等優良性能。但是純PA在燒結時得到的成型件強度變形率較大，所以改變其收縮變形率，已經成為當今研究的一個熱點[20]。

最廣泛使用PA的四種成分材料為[21]：

A.標準DTM尼龍(Standard Nylon)，可直接被制成零件且耐熱性和耐腐蝕性都很好。

B.精細DTM尼龍(DuraForm GF)，在標準DTM的基礎上精度得以提高，表面粗糙度降低，更傾向于制造測試型和概念型的零件。

C.醫用級DTM精細尼龍(Fine Nylon Medical Grade)，在高溫高壓下五個循環蒸汽消毒。

D.原型復合尼龍材料(ProtoFomTMComposite)，在原基礎上經過玻璃強化后形成的一種改性材料，相對比提高了耐熱性、耐腐蝕性和表面粗糙度，加工性能更加完善。

2.3 覆膜砂

采用熱固性樹脂，其中加入鋯砂和石英砂混合后所制。再經過SLS技術制得的制件可直接用來制造金屬零件，對于復雜件的制作，更多的選擇鋯砂，因其具有更好的鑄造性能，采用SLS技術制得砂型(芯)尺寸精度高(CT6～8級)，表面質量好(粗糙度達到3.2～6.3 μm)，水平接近金屬型鑄造[22]。蘆剛、修輝平等人研究并優化了SLS覆膜砂燒結工藝參數，改善其工藝性能[23-24]。魏蓉研究發現，采用濃硝酸與硅烷偶聯劑，能夠共同處理改性后的碳纖維，使其效果最佳[25]。

3 目前存在的問題及未來展望

選擇性激光燒結技術經過多年的探索，已經取得了飛速的發展，但仍存在著一些不足之處。

3.1 成型材料問題

成型材料是決定SLS技術發展的基本要素之一，因其在實際生產中對成型件的工藝性能有不同的要求，導致真正可供選擇的原材料范圍減少，部分原材料還存在著成本較高、具有污染性且成型件表面和性能不理想等問題，所以開發出低成本、性能更好的新型材料更有助于SLS技術的不斷推廣及其在市場上的應用。

3.2 成型設備的問題

成型設備成本高昂，致使最終成型件的成本也隨之提高，并且國內的SLS系統和激光器都與國外有一定的差距，所以要不斷開發并研制出精度高且性價比更高的設備，才能使SLS技術得到推廣與應用。

3.3 成型軟件及工藝問題

在軟件使用上大部分選擇的是三維CAD轉換為STL格式，在轉換過程中便會存在微小誤差，SLS燒結技術成型的制件精度差，不能達到產品標準。因此，更好的完善現有工藝，從而提升燒結件的工藝性能是日后研究的一個熱點問題。

4 結語

選擇性激光燒結技術正在逐漸突破自身的局限性，雖然各個方面都有了提高，但是選材上的發展空間更廣泛，要不斷發展新材料來替代那些不能滿足大部分成型件功能要求的材料和可能對環境產生污染的材料。價格也是限制其發展的重要因素，目前用于工業的材料價格昂貴，導致其不能普遍應用于商業化生產中，所以在未來一段時間內，研發可行性材料是攻克這些難關的關鍵性任務。

未來隨著SLS技術的快速發展，將會對設備的研發、技術的應用、新工藝和材料的研發產生更為積極的影響，對傳統制造業邁向環保、節能、高效發展提供了巨大的推動力。

[1] Wong K V，Hernandez A. A review of additive manufacturing[J]. ISRN Mechanical Engineering，2012，(10):1-10.

[2] 潘琰峰，沈以赴，顧冬冬，等. 選擇性激光燒結技術的發展現狀[J].工具技術，2004，38(06): 3-7.

[3] Stampfl J，Hatzenbichler M. Additive Manufacturing Technologies[J]. CIRP Encyclopedia of Production Engineering. Springer :Berlin Heidelberg，2014，34(09):20-27.

[4] Mazzoli A. Selective laser sintering in biomedical engineering[J]. Medical amp; biological engineering amp; computing，2013，51(03): 245-256.

[5] 李鵬，熊惟皓.選擇性激光燒結的原理及應用[J].材料導報，2002，16(06): 55.

[6] 張渤濤，郝斌海，盧宵，等.選擇性激光燒結技術的特點及在磨具制造中的應用[J]. 鍛壓技術，2005，(03): 8.

[7] Mukesh Agarwala, David Bourell, Joseph Beaman, et al. Direct selective laser sintering of metals [J]. Papid Prototyping Journal，1995，1(01): 26-36.

[8] 王廣春，趙國群. 快速成型與快速磨具制造技術及其應用[M].北京: 機械工業出版社，2003.

[9] Jan-Erik Lind，Juha KotiIa，Tatu Syvaenen，OIIi NyrhiIae. DimensionaIIy accurate moId inserts and metaI components by direct metaI Iaser sintering [J]. MateriaIs Research Society，2000，(625): 45-50.

[10] 張劍峰. Ni 基金屬粉末激光直接燒結成形及關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學，2002.

[11] 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)，2015，23(02): 75-79.

[12] 任繼文，劉建書.選擇性激光燒結主要成性材料的研究進展[J].機械設計與制造，2010，(11): 266-268.

[13] 鄧崎林，余承業.金屬粉末的選擇性激光燒結[J].航空工業技術，1996，(02): 19.

[14] 曾錫琴，朱曉蓉. 激光選區燒結成型材料的研究和應用現狀[J].機械研究與應用，2005，12(06): 19-21.

[15] 王利蕊. 基于小功率SLS系統的EDM電極快速制備實驗研究[J].電加工與模具，2003，(03): 49-52.

[16] 蔣瑋.直接金屬激光燒結成形的機理及實驗研究[J].中國機械工程，2003，(08): 1322-1325.

[17] 任繼文，彭蓓.選擇性激光燒結技術的研究現狀與展望[J].機械設計與制造，2009，(10): 266-268.

[18] 白培康. 覆膜陶瓷粉末激光燒結成形技術試驗研究[J].中國機械工程，2000，(10): 98-100.

[19] 鄧琦林. 陶瓷粉末的選擇性激光燒結實驗研究[J].航空精密制造技術，2001，(05): 28-31.

[20] 王小萍，程炳坤，賈德民. 選擇性激光燒結用聚合物粉末材料的研究進展[J].合成材料老化與應用，2016，45(03): 108-113.

[21] 王利蕊.基于小功率SLS系統的EDM電極快速制備實驗研究[J].電加工與模具，2003，(03): 49-52.

[22] 李棟，唐昆貴，付龍. 3D打印的氣缸蓋砂芯[J].鑄造，2016，65(04): 325-328.

[23] 蘆剛，李康，嚴青松，等. 基于 SLS 燒結覆膜砂工藝參數對成型尺寸精度的影響規律[J].鑄造技術，2013，34(03): 314-316.

[24] 修輝平，王宏松，徐敏. 覆膜砂選擇性激光燒結的精度分析與試驗研究[J].熱加工工藝，2015，44(19): 120-122.

[25] 魏蓉. 碳纖維增強覆膜砂選擇性激光燒結成型性能研究[D]. 南昌：南昌航空大學，2015.

Selectivelasersinteringtechnologyofrawmaterialsandtechnologydevelopment

YANG Jie, WANG Qing-shun, GUAN He

(School of Mechanical Engineering, Shengyang University, Shengyang 110044, China)

Selective laser sintering is one of the fastest growing and most widely used technologies in RP amp; M (Rapid Prototyping amp; Manufacturing) technology, a rapid prototyping technology based on the discrete-stacking principle. It is widely selected, easy to operate, the complexity of the product will not have an impact on it, which can be directly sintered parts, widely used in manufacturing, and selective laser sintering technology has

more and more attention. It is expected to be popularized in the next period of time if we want to break through the bottleneck. In the future, with the rapid development of SLS technology, it will have a more positive impact on R amp; D of equipment, application of technology, research and development of new processes and materials, and provide a huge impetus to the traditional manufacturing industry towards environmental protection, energy saving and efficient development force. Introduced the forming principle and characteristics of selective laser sintering technology, summarized the application of SLS technology were introduced and more research situation and application of raw materials, analyzes the problems existing in the industrialization of SLS technology and possible solutions.

Selective laser sintering; SLS technology; Rapid prototyping; Dusty materials; Present application; Technology development

TB383.3

A

1674-8646(2017)20-0030-04

2017-08-29

楊潔(1990-)，女，沈陽大學機械學院2015級碩士研究生，e-mail: 461692883@qq.com。