選擇性激光燒結的研究進展

夏爽

沈陽度維科技開發有限公司 遼寧沈陽 130022

隨著我國科學技術研究的發展，我國的工程技術學研究也取得了良好的成就。其中材料快速成型技術的應用為“中國制造”和“中國生產”世界品牌的打響打下了良好的基礎。目前，以廣泛應用于工程制造的快速成型技術包括立體光固化快速成型技術、三維印刷成型技術、激光熔覆成形技術、熔融沉積制造技術、選擇性激光燒結技術等。其中選擇性激光燒結技術因其涉制造材料廣泛、工藝簡單、綜合成本低等優勢而廣泛應用與航空航天、生物醫學、工程材料等領域。研究選擇性激光燒結技術對擴大陶瓷、金屬等材料的應用范圍和提高材料的功能有著重要的意義。

1 工藝原理

選擇性激光燒結采用鋪粉輥將粉末狀的材料鋪平在成形的零件表面上，同時加熱至低于該材料墨粉燒結節點的溫度，以計算機控制系統控制激光束掃描該粉截面輪廓，粉末交界處的溫度升高到熔化點時開始燒結，并與下層成形件時間完美接合。當上層界面完成燒結后，工作臺降低一層，鋪料輥重復上一動作，在上面再鋪一層均勻而密實的粉末，逐層進行燒結，直到完成整個零件或模型的燒結。整個成形過程，未經燒結的粉末具有支撐部分模型懸臂和窄腔的作用，因此無需獨立的支撐結構。相對于FDM工藝和SLA工藝而言，選擇性激光燒結工藝的快速制件過程簡單、成本低，氣溫燒結支撐的工件精度高、可應用范圍廣、綜合性能更加優良[1]。

2 技術應用

選擇性激光工藝技術廣泛應用與電子機械、通訊、生物醫療、航空航天等領域，促進了更多的領域快速之間從傳統向信息化轉型的過程。近些年，利用選擇性激光燒結技術制成的多功能金屬和陶瓷零件等在無機粉體、生物骨骼、高分子材料等方面取得了顯著的應用效果和廣泛的認可。如陶瓷粉末制成的人工骨骼、肢體等零件，因綜合應用優勢明顯而在生物醫學等領域得到關注。選擇性激光燒結技術的研究也因此成為一個熱點課題。

2.1 在無機粉體中的應用

無機粉體在絕緣導體、生物醫學、金屬切割等方面有著極高的應用價值。隨著新型材料的應用，以上領域對無機粉體的應用性能不斷提高。為了滿足無機粉體在現代社會的應用，高性能的無機粉體順勢而發展。陶瓷作為廣泛應用的新型材料，借助選擇性激光燒結技術，可以實現其力學性能的改變，提高陶瓷的穩定性，是其性能更加優化。如Tang等用鋁粉澆鑄的水不溶性半晶狀聚乙烯醇，以聚甲基丙烯酸銨做分散劑，采用選擇性激光燒結技術，就可以在原有的陶瓷制件基礎上提高陶瓷件的強度、穩定性等性能。

2.2 在生物骨骼中的應用

生物骨骼是現代醫學中得到了廣泛的應用。如人造骨骼、生物組織、人體植入件、解剖模型等。以人造骨骼為例，高性能的人造骨骼應用于臨床不僅可以延長人體骨骼的使用年限，還能極大的提高人造骨骼植入的安全性。在生物骨骼研究方面，生物相容性、生物活性、加工成本等是研究的重點。2015年金光輝等以納米羥基磷灰石/聚己內酯為原料采用選擇性激光燒結技術快速制出的人工支架，重點研究了人工支架的生物相容性、生物活性、理化性質等，最終認定選擇性激光燒結技術制成的人工支架完全具備優良的生物性與化學性，且成本相對傳統工藝要低。該項研究為新型人工骨骼的快速成型技術奠定了基礎。

2.3 在高分子材料中的應用

高分子材料在二十一世紀的應用非常普遍。關于更高性能的高分子材料的研究仍舊時一個熱點課題。如聚酰胺基復合材料填充金屬或陶瓷，制成的共件或模型不僅硬度高、進度高，外型更加美觀。如鋁填充聚酰胺基質得到的燒結件。目前，聚丙烯、聚已酸內酯、尼龍、聚噻吩、聚酰胺、聚醚醚酮樹脂等高分子材料為原料的燒結工藝研究較為廣泛。Salmoria等以PA12為原料，以多壁碳納米管為分散劑，對采用選擇性激光燒結工藝制成的復合件進行性能測試，燒結件的計算強度、彎曲模量、伸長率分別為（94±9）MPa（PA12=（86±5）MPa）、（718±125）MPa（PA12=（546±28）MPa）、9%±1.5%（PA12=11%±0.5%）。其機械性能和力學性能得到顯著改善[2]。

3 后處理工藝的研究

燒結成形的元件強度非常弱，需要根據具體的要求采用滲樹脂或蠟的后處理工藝進行補強。后處理工藝不同，選擇性激光燒結成型件的性能也會存在差異。常規的選擇性激光燒結工藝快速成型件表面會呈現粉末，后處理需要用刷子刷去表面粉末，露出工件部分。殘余粉末可采用壓縮空氣去除。一般先將成型件加熱到低溫，汽化后取出聚合物，在加熱到高溫并保溫，來穩定金屬粉末，是燒結件保持原有的形狀[3]。

4 結語

選擇性激光燒結技術是一種造型材料快速成型的新工藝，也是目前商業應用相對成熟的材料燒結工藝。目前，已經成熟應用與塑料粉末和蠟粉的燒結加工。除塑料粉末和蠟粉外，選擇性激光燒結技術也已經嘗試應用與金屬和陶瓷等材料。對金屬和陶瓷等材料的應用將擴大金屬材料、陶瓷等材料在生物、醫學等行業中新型材料的研究，滿足生物、醫學等行業更多的應用需求。選擇性激光燒結件后處理工藝技術的多樣化為材料力學性能的改變提供了技術基礎。未來，隨著選擇性激光后處理工藝技術的提高，選擇性激光燒結件的處理速度和材料性能將得到更好的改善。