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。該工藝由美國德克薩斯大學提出，于1992年開發(fā)了商業(yè)成型機，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，與此技術(shù)相關(guān)的設(shè)備、工藝和應(yīng)用都取得了長足的進步，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)以激光為熱源對粉末材料進行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點一層層堆積成三維實體的成型工藝。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)件強度低，干燥脫濕后需要放入高溫爐進行燒結(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、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，這類材料不需再進行燒結(jié)處理，而且所需激光功率較小。

在開始加工之前，先將充有惰性氣氛（氬氣或氮氣）的工作室升溫，并保持在粉末的熔點以下。成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后激光束在計算機控制下按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。層燒結(jié)完成后，工作臺下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進行下一層燒結(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)時基本相當于聚合物黏結(jié)劑本身接受燒結(jié)，對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)機理屬于黏性流動機制。

工藝過程

選擇性激光燒結(jié)的工藝過程，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待制造模型進行分層、切片以及部分修改和支撐處理，然后對切片后的文件進行掃描路徑和優(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，將待加工文件導入設(shè)備，做好加工準備，設(shè)置加工參數(shù)進行零件加工；

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

5）對零件進形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

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、快捷、地將設(shè)計思想轉(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，明天成品成為可能。

具體來說，該技術(shù)的主要特點如下：

1）使用增材制造技術(shù)，避免了傳統(tǒng)制造過程中的開模、機加、焊接、鑄造、裝配等過程，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，節(jié)省時間成本；

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

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

4）選擇性激光熔化技術(shù)解放了設(shè)計者的思想，設(shè)計人員可以有更為開闊的空間對產(chǎn)品進行設(shè)計，而無須考慮制作過程。

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Austin分校的Deckard于1986 年提出，進而DTM、德國的EOS公司先后將這一思想轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實。其中德國的EOS公司通過與芬蘭的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、南京航天航空大學和華中科技大學等。