[科普中國]-選擇性激光燒結成形

選擇性激光燒結成形（SLS）是一種增材制造（AM）技術，它使用激光作為電源來燒結粉末材料（通常是尼龍/聚酰胺），將激光自動瞄準由a定義的空間點。 3D模型將材料粘合在一起，形成堅固的結構。 它類似于直接金屬激光燒結（DMLS）; 這兩個是相同概念的實例，但技術細節(jié)不同。 選擇性激光熔化（SLM）使用了類似的概念，但在SLM中材料完全熔化而不是燒結，允許不同的性質（晶體結構，孔隙率等）。 SLS（以及其他提到的AM技術）是一項相對較新的技術，迄今為止主要用于快速原型制作和零部件的小批量生產(chǎn)。 隨著AM技術的商業(yè)化改進，生產(chǎn)角色正在擴大。

歷史選擇性激光燒結成形（SLS）由DADPA贊助的Carl Deckard博士和20世紀80年代中期德克薩斯大學奧斯汀分校的學術顧問Joe Beaman博士開發(fā)并獲得專利。Deckard和Beaman參與了由此產(chǎn)生的啟動公司DTM，該公司是為設計和制造SLS機器而建立的。 2001年，DTM和SLS技術的最大競爭對手3D Systems收購了DTM。關于Deckard SLS技術的最新專利于1997年1月28日發(fā)布，并于2014年1月28日到期。

類似的過程獲得專利，但沒有被R. F. Housholder在1979年商業(yè)化。

由于SLS需要使用高功率激光器，因此在家中使用時通常太昂貴，更不用說可能太危險了。 SLS印刷的費用和潛在危險意味著SLS印刷的本土市場不像其他增材制造技術的市場那樣大，例如熔融沉積成型（FDM）。然而，有一些個人和公司專注于將這項技術帶給個人消費者。其中一位是斯沃斯莫爾學院的工程專業(yè)學生安德烈亞斯巴斯蒂安，他最近開發(fā)了一種相對低成本的SLS打印機，能夠用蠟或碳制造物體。家用SLS打印的另一個選擇是Focus SLS打印機。 Barry Mayers在2000年初以商標CB公司的有限公司為該設計申請了專利。

技術增材制造層技術SLS涉及使用高功率激光器（例如，二氧化碳激光器）將塑料，金屬，陶瓷或玻璃粉末的小顆粒熔合成具有所需三維形狀的塊。激光通過掃描由粉末床表面上的部件的3-D數(shù)字描述（例如來自CAD文件或掃描數(shù)據(jù)）產(chǎn)生的橫截面來選擇性地熔化粉末材料。掃描每個橫截面后，將粉末床降低一層厚度，在頂部施加新的材料層，并重復該過程直到部件完成。

由于成品密度取決于峰值激光功率，而不是激光持續(xù)時間，因此SLS機器通常使用脈沖激光。 SLS機器將粉末床中的散裝粉末材料預熱到略低于其熔點的溫度，以使激光更容易在剩下的時間內(nèi)將所選區(qū)域的溫度升高到熔點。

與其他一些增材制造工藝相比，例如立體光刻（SLA）和熔融沉積成型（FDM），其中最常需要特殊的支撐結構來制造懸垂設計，SLS不需要單獨的支撐材料進料器，因為正在構造的部件在任何時候都被未燒結的粉末包圍，這允許構造先前不可能的幾何形狀。此外，由于機器的腔室總是充滿粉末材料，因此通過稱為“嵌套”的技術，多個部件的制造對設計的整體難度和價格的影響要小得多，因此可以定位多個部件以適應邊界這臺機器。然而，應該觀察到的一個設計方面是，使用SLS，制造空心但完全封閉的元件是“不可能的”。這是因為元件內(nèi)未燒結的粉末不能排出。

由于專利已經(jīng)開始到期，經(jīng)濟實惠的家用打印機已成為可能，但加熱過程仍然是一個障礙，功耗高達5千瓦，溫度必須控制在2°C以內(nèi)的三個階段的預熱，熔化并在移除前存儲。1

材料和應用一些SLS機器使用單組分粉末，例如直接金屬激光燒結。粉末通常通過球磨生產(chǎn)。然而，大多數(shù)SLS機器使用雙組分粉末，通常是涂覆粉末或粉末混合物。在單組分粉末中，激光僅熔化顆粒的外表面（表面熔化），將固體未熔化的核心彼此熔合并熔合到前一層。

與其他增材制造方法相比，SLS可以從相對廣泛的市售粉末材料生產(chǎn)零件。這些包括聚合物，如尼龍（純凈，玻璃填充，或與其他填料）或聚苯乙烯，金屬，包括鋼，鈦，合金混合物，復合材料和綠砂。物理過程可以是完全熔化，部分熔化或液相燒結。根據(jù)材料的不同，可以獲得高達100%的密度，其材料特性可與傳統(tǒng)制造方法相媲美。在許多情況下，可以在粉末床內(nèi)包裝大量零件，從而實現(xiàn)非常高的生產(chǎn)率。

SLS技術因其能夠直接從數(shù)字CAD數(shù)據(jù)輕松制作非常復雜的幾何形狀而在全世界廣泛使用。雖然它最初是作為在設計周期早期構建原型零件的一種方式，但它越來越多地用于限量生產(chǎn)制造以生產(chǎn)最終用途零件。 SLS的一個較少預期和快速增長的應用是它在藝術中的應用。

因為SLS可以生產(chǎn)由各種材料（塑料，玻璃，陶瓷或金屬）制成的零件，它很快就會成為創(chuàng)造原型，甚至最終產(chǎn)品的流行過程。在需要少量高質量零件的情況下，SLS已經(jīng)越來越多地用于工業(yè)中，例如在航空航天工業(yè)中，SLS被更頻繁地用于制造飛機的原型。飛機通常是少量生產(chǎn)并且可以使用數(shù)十年，因此生產(chǎn)零件的物理模具變得非常劃算，因此SLS已成為一種出色的解決方案。

優(yōu)點與缺點優(yōu)點SLS過程的一個明顯優(yōu)勢是，因為它是完全自支撐的，它允許在稱為嵌套的過程中在其他部分內(nèi)構建零件 - 具有高度復雜的幾何形狀，而這些幾何形狀根本無法以任何其他方式構造。

零件具有高強度和剛度

良好的耐化學性

各種精加工可能性（例如，金屬化，爐搪瓷，振動研磨，浴缸著色，粘合，粉末，涂層，植絨）

符合EN ISO 10993-1和USP / VI / 121°C的生物兼容性

可以構建具有內(nèi)部部件，通道的復雜部件，而不會將材料捕獲在內(nèi)部并且改變表面以免移除支撐件。

最快的增材制造工藝，用于印刷功能性，耐用性，原型或最終用戶部件。

各種材料和強度，耐用性和功能特性，SLS根據(jù)應用提供尼龍基材料作為解決方案。

由于優(yōu)異的機械性能，該材料通常用于替代典型的注塑成型塑料。

缺點SLS印刷部件具有多孔表面。這可以通過涂覆諸如氰基丙烯酸酯的涂層來密封。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

楊曉紅 - 副教授 - 西南大學