任务三
SLS技术

学习目标

1.熟悉SLS技术的工作原理及技术特点。

2.了解SLS技术的成型材料及设备。

3.了解SLS技术的应用。

任务描述

通过老师讲解、观看视频或现场考察等掌握什么是SLS技术。注意区分它与FDM技术的不同，学习它的原理、特点、成型材料及应用领域。

知识平台

一、SLS技术原理

SLS技术的成型材料是粉末材料，一般为尼龙、金属、陶瓷粉末等，其基本原理是通过激光器的作用使粉末材料烧结并初步固化。SLS成型系统的工作原理示意图如图2-13所示。首先刮板或滚筒在工作台上铺一层粉末材料，并将其加热至略低于其熔化温度，再使激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，粉末间相互黏结，从而得到一层截面轮廓。当一层截面轮廓成型完成后，工作台就会下降一个片层的高度，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至实体整个成型。成型过程中，非烧结区的粉末仍呈松散状，可作为烧结件和下一层粉末的支撑部分。

SLS技术用的激光与SLA技术用的激光不同。SLA技术用的是紫外激光，而SLS技术用的是红外激光。SLA技术的耗材一般为液态光敏树脂，而SLS技术的耗材一般为塑料、蜡、陶瓷、金属粉末等。

二、SLS技术特点

SLS技术的主要优点有：

（1）成型材料广泛。从理论上讲，任何能够吸收激光能量而使黏度降低的粉末材料都可以作为SLS的成型材料，包括尼龙、聚苯乙烯等聚合物以及金属、高分子、陶瓷、覆膜砂等粉末材料。

（2）成型制件的复杂程度高。由于成型材料是粉末状的，在成型过程中，未烧结的松散粉末可做自然支撑，容易清理，因此特别适用于有悬臂结构、中空结构以及细管道结构的零件生产。

（3）材料利用率高，成本低。在打印过程中，未被激光扫描到的粉末材料可以被重复利用。因此，SLS技术具有特别高的材料利用率，几乎可达到100%。此外，SLS成型过程中的多数粉末价格较便宜，如覆膜砂。因此，SLS技术材料成本相对较低。

（4）无需支撑，容易清理。由于未烧结的粉末可以对成型制件的空腔和悬臂部分起支撑作用，不必专门设置支撑结构，因此节省了成型材料并降低了制造能源消耗量。

SLS技术的主要缺点有：

（1）表面相对粗糙，需要后期处理。由于SLS技术的原材料是粉末，零件的成型是由材料粉层经过加热熔化而实现逐层黏结的，因此严格来说成型制件的表面是粉粒状，因而表面质量不高。生成陶瓷、金属成型制件的后处理较难，且制件易变形，难以保证其尺寸精度。

（2）烧结过程挥发异味。SLS技术过程中的粉层黏结需要激光能量使其加热而达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结熔化时，一般会挥发异味气体。

（3）设备成本高。由于使用大功率激光器，除本身设备成本外，为使激光能稳定工作，需要不断地做冷却处理，激光器属于耗损材料，维护成本高，普通用户难以承受，因此主要集中在高端制造领域。

三、SLS技术材料及设备

（一） SLS技术成型材料

用于SLS技术的材料均是粉末状材料，其粉末粒径一般为50~125μm。包括金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末，如尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸酯粉、聚酸胺粉、蜡粉、金属粉（成型后常需进行再烧结及渗铜处理）、覆膜砂、覆蜡陶瓷粉和覆蜡金属粉等。近年来开发较为成熟的SLS技术常用材料及其特性见表2-5。

1.高分子材料

目前，SLS技术常用的高分子材料有聚苯乙烯、工程塑料、尼龙、蜡粉、聚碳酸酯等。

聚苯乙烯：受热后可熔化、黏结，冷却后可固化成型。该材料吸湿率小，收缩率也较小。其成型制件可通过浸树脂后提高强度，主要性能指标：拉伸强度不小于15MPa，弯曲强度不小于33MPa；冲击强度不小于3MPa，可作为原型件或功能件使用，也可用做消失模铸造用母模，生产金属铸件。

工程塑料：成型强度较高，主要用于制作原型件及功能件。

尼龙：热化学稳定性优良。

2.金属材料

采用金属为主体的合成材料制成的成型制件硬度较高，能在较高的工作温度下使用，因此此种模型制件可用于复制高温模具。目前常用的金属粉末包括：

（1）金属粉末和有机黏结剂的混合体，如美国DTM公司已商品化的Rapid Steel 1.0，其主要成分为碳钢金属粉末+聚合物材料，但其成型制件的密度仅为钢密度的55%，因此需要进行渗铜处理；Copper Polyamide粉末，其主要为铜粉+聚酰胺材料，其特点是成型后不需二次烧结，只需渗入低黏度耐高温的高分子材料。

（2）两种金属粉末的混合体，其中低熔点金属起到黏结剂的作用，如金属Sn、Ni等。但由于低熔点金属材料的强度较低，制得的成型制件强度通常也较低。为了提高强度，通常采用熔点接近或超过1000℃的金属材料作为黏结剂，更高熔点的金属作为合金的基体。

（3）单一的金属粉末。对单元系烧结，特别是高熔点的金属在较短的时间内需要达到熔融温度，需要很大功率的激光器，若直接对金属材料进行烧结，将难以达到金属的熔点，获得的成型金属制件组织结构多孔，导致制件密度低、机械性能差。因此，此种粉末应用较少。

3.陶瓷材料

SLS技术用的陶瓷材料是陶瓷粉末与低熔点黏结剂的混合粉末。与金属材料相比，陶瓷材料具有更高的硬度，耐高温性，因此可用于成型高温模具。目前，常用的陶瓷材料有Al ₂ O ₃ ，SiC、ZrO ₂ 等。

（二） SLS技术成型设备

SLS技术是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究生Carl Deckard于1989年首次提出的，稍后组建的DTM公司在 1992 年开发出第一台SLS技术的商业成型机Sinterstation 2000。这些年来，奥斯汀分校与DTM公司（2001年被美国3D Systems公司并购）在SLS技术领域进行了大量的研究与开发工作，在设备研制、加工工艺和材料开发方面取得了很大进展。

除了DTM公司（2001年被美国3D Systems公司并购）外，研究SLS设备工艺的单位还有德国EOS公司及我国的华中科技大学、北京隆源自动成型系统有限公司、北京易加三维科技有限公司等。其中北京隆源公司是国内比较有名的SLS设备供应商。

SLS技术典型厂商及其代表设备见表2-6。

美国3D Systems公司基于SLS技术研发出了sPro ^TM 系列设备，其中sPro ^TM 230成型材料应用最广泛，具有先进的系统能够快速制造高清晰度、耐用的塑料部件，可打印长达30英寸（约762mm）的部件。这个成型系统拥有全自动粉末处理与回收功能，并且可实现材料的可追溯性，能够升级至最大吞吐量的高速版本。SLS技术典型机型及其主要参数见表2-7。

四、SLS技术应用

SLS技术因具有成型材料广泛、无浪费、低成本以及可以快速制造出复杂原型件和功能件、制造过程中无需支撑等优点，因此一直在3D打印工业领域中占有重要地位。经过二十多年的发展，SLS技术已从单纯为方便造型设计而制造高聚物原型发展到以获得实用功能零件为目的的高分子/金属/陶瓷零件的成型制造，应用领域不断拓宽。而且得益于成型材料和相应工艺的优化以及图形算法的不断改进，制造周期明显缩短，成型制件的精度和强度都有所提高。

SLS技术已成功为汽车企业提供缸体、缸盖、进气管、变速箱壳体的RP服务，SLS技术直接成型的铸造砂芯成功用于汽车发动机缸体、缸盖和增压器的快速开发。SLS技术在产品研发中的应用实例如图2-14 所示。图 2-14（a）中发动机缸盖烧结时间为24h，整个铸造周期仅为15天。

SLS技术在医疗外科整形方面也得到了成功的应用。图2-15是根据医学数据进行必要的转换后，得到的三维数据模型，通过激光打印机可在1~2天内获得成型制件。这样，医生就可以在成型制件上准确地标定创面，并可依据实物进行手术模拟。SLS技术在医疗外科整形方面的应用，可为医生提供实物进行模拟，缩短手术时间、减轻患者痛苦、提高手术成功率。

课后习题

1.简述SLS技术的成型原理。

2.简述SLS技术的材料特性。

3.查找网络资料，了解SLS技术还有哪些应用。 frwqqOA4vHOixX0mWE+aBNHN1ajVn1W5W9b6O+ALiYOqKBog2ceUixIEKRylr8BY