3D打印概论期末论文

浅谈3D打印技术之选择性激光烧结技术的原理特点和应用
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摘要：3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注，在详细介绍3D打印技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造和快速制造等优点的基础上，具体给出了光固化成形、材料喷射、粘结剂喷射、熔融沉积制造、选择性激光烧结、片层压和定向能量沉积这七类3D打印工艺.【1】本文主要涉及3D打印技术的选择性激光烧结技术这一方面，并就这一出发点来讨论选择性激光烧结技术在工业、医用、民用品等领域的加工，介绍了选择性激光烧结技术的原理、特点及其研究发展状况，简述了选择性激光烧结金属粉末的典型成型工艺,并简要分析讨论了选择性激光烧结技术成型金属零件所存在的一些问题.最后，总结了选择性激光烧结技术的应用和发展前景。

关键词：3D打印、选择性激光烧结技术、生物医用、烧结高分子材料、陶瓷成
型、创新技术
Abstract：3D printing technology is one of the third industrial revolution; it has been increaingly become popular in the industrial sectors and investor community。

On the basis of introduction the advantages of 3D printing technology, e。

g。

,digital manufacturing, dimension reduction manufacturing，additive manufacturing，direct manufacturing and rapid manufaturing，seven types of 3D printing processes，i。

e, stereo lithigraphy apparatus, polyjet，three dimensional printing and gluing，fused deposition modeling, selecting laser sintering，laminated object manufacturing and laser engineering net shape are given.This paper mainly relates to the 3D printing technology of selective laser sintering technology as one hand, and this is just a starting point to discuss the selective laser sintering technology applied in the field of
industrial, medical and civilian products processing。

And the passage introduces the principle, characteristics and research development situation of selective laser sintering technology, expounding the typical of selective laser sintering of metal powder forming technology，and discuss some problems of the forming metal parts of selective laser sintering technology。

Finally, the application of selective laser sintering technology is summarized and the development prospect it has been shown.
Keywords：3D printing technology 、elective laser sintering technology、 biologic and biomedical application、Sintering polymer materials、 ceramic
forming、 innovative technology
1。

绪论：
21世纪90年代开始，随着世界经济竞争的日益激烈化和全球化，产品制造商们越来越需要以最短的时间制造出符合人们消费需求的新产品来抢占市场，21世纪80年代末出现的快速成型(RP）就是在这样的背景下提出并逐步得以发展的技术是一种逐层零件制造工艺，它突破传统的材料变形成型和去除材料成型的工艺方法，使用近乎全自动化的工艺从文件直接生产所需要的模型或模具,可以显著减少产品原型的开发时间和成本，极大的提高产品的质量；另外，RP制造过程中不需要任何传统意义上的工装夹具、刀具或模具即可制造出任何复杂形状的零部件。

因此，这项技术在现代制造业中越来越具有竞争力,有望成为 21世纪的的主流制造技术。

由于SLS（激光烧结成型)工艺具有粉末选材广泛、适用性广、制造工艺比较简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结零件等诸多优点，成为当前发展最快、最为成功的且已经商业化的RP方法之一，在现代制造业得到越来越广泛的重视.
2。

选择性激光烧结技术及其特点
1.1选择性激光烧结技术
选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固
化层层层叠加生成所需形状的零件。

其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。

与其它RP方法相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。

从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。

目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料.
1.2选择性激光烧结技术特点
SLS技术的特点归纳起来主要有以下几点:
①过程与零件复杂程度无关,是真正的自由制造，这是传统方法无法比拟的。

SLS与其它RP不同,不需要预先制作支架，未烧结的松散粉末作了自然支架。

SLS 可以成型几乎任意几何形状的零件，对具有复杂内部结构的零件特别有效。

②产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发或单件、小批量零件的生产。

③生产周期短,从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时,整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造。

这一特点使其特别适合于新产品的开发。

④与传统工艺方法相结合,可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件输出等功能，为传统制造方法注入新的活力.
⑤材料范围宽,任何受热粘结的粉末材料都有被用作SLS原材料的可能性.材料无浪费，未烧结的粉末可重复使用.
⑥应用面广.由于成型材料的多样化,使得SLS适合于多种应用领域，如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等.【3】
3.选择性激光烧结技术的材料
在发展选择性激光烧结这类3D打印技术产业化的进程中，制造设备和材料基础研究是两大关键技术选择性激光烧结对原材料要求较为苛刻，材料需要以粉末状提供；烧结过程中，材料在快速融化和凝固等物态变化之后,仍须具有良好的物理和化学性质，可应用于选择性激光烧结成型的材料不仅种类少、成本昂贵，而且加工工艺也比较复杂,因而难以实现产业化。

常用于选择性激光烧结研究的
材料，有金属材料、陶瓷材料、聚合物材料以及它们之间的合材料，下面主要说明高分子复合材料与松木粉/聚醚砜树脂复合材料的制备方法.
3。

1高分子复合材料
目前，常用于制备 SLS 复合材料的制备方法主要有 4 种，包括机械混合法、覆膜法、双螺杆挤出粉碎法以及后处理浸渗法, 下面将分别进行论述。

3.1.1机械混合法
SLS用无机填料填充尼龙复合粉末的制备方法主要为机械混合法；其基本工艺过程为：将高分子粉末与各种填料粉末在三维运动混合机、高速捏合机或其他混合设备中进行机械混合. 机械混合方法工艺简单、对设备要求低, 然而当填料粉末的粒径非常小 (如粉末粒径小于10 µm) 时，或者当填料 (如金属粉末）的比重比高分子大得多时, 机械混合法很难将无机填料颗粒均匀地分散在高分子基体中，而且在运输及 SLS 铺粉过程中粉末颗粒容易产生偏聚现象, 使得SLS 成形件中存在非均匀分布的填料颗粒团聚体, 反而会造成成形件的性能下降。

3。

1.2覆膜法
覆膜法采用某种工艺将高分子包覆在填料颗粒的外表面, 形成高分子覆膜的复合粉末。

在覆膜复合粉末中，填料和高分子基体混合比较均匀, 而且在运输和铺粉过程中也不会产生偏聚现象. 高分子覆膜金属或陶瓷复合粉末广泛用于间接法 SLS 制备金属或陶瓷零件。

其制备工艺多为喷雾干燥法制备, 所用的聚合物为乳液状的 PMMA 及其衍生物. 另一种覆膜工艺为溶剂沉淀法. 该法是在制备尼龙粉末的同时，将填料颗粒也加入反应容器中, 这样在尼龙溶解和结晶过程中，将尼龙均匀包裹在填料颗粒表面，形成覆膜粉末.
3。

1。

3双螺杆挤出粉碎法
该方法是先将各种助剂与高分子材料经过双螺杆挤出机共混挤出造粒, 制得粒料，再经低温粉碎制得粉料, 这种方法制备的粉末材料分散均匀性好, 但是由于粉末是通过深冷粉末制备的，因此形状极其不规则, 不利于铺粉和成形件精度的提高。

3。

1.4后处理浸渗法
高分子尤其是非结晶性高分子的 SLS 成形件中存在一定孔隙，造成其力学性能较低。

因此，后处理浸渗法在 SLS 初始形坯中渗入另外一种材料, 形成复合材料, 固化后成形件致密度和力学性能得到提高。

【4】
3。

2松木粉/聚醚砜树脂复合材料的制备与实验
松木粉来源广泛且价格低廉; 聚醚砜树脂作为木塑复合材料的黏结剂，具有机械强度高、尺寸稳定性好以及优良的成型加工性能等特点。

可以利用下面的实验制备松木粉复合粉末，并用于选择性激光烧结；制备工艺简单，复合粉末易获得。

3。

2。

1实验材料设备和方法
将干燥好的松木粉和密封存储的PES粉末,按照表1的3种配比方案进行混粉; 分别在手动机械冷混后，放入高速混合机中。

先低速间歇混合10min，然后高速混合1min; 温度控制在55°以下，防止温度高时，材料发生黏结现象。

最后,将3种不同质量比的复合粉末分别放入隔潮袋子中。

3。

2.2烧结试验
为了确定松木粉PES复合粉末,用于选择性激光烧结是否具有可行性; 在正式烧结试件前,需先进行4—5层简单的激光烧结实验,遴选松木粉PES复合材料可成型的工艺参数以及适宜的预热温度。

HRPS-ⅢA型激光粉末烧结快速成型机（华中科技大学;武汉滨湖机电有限公司）的光斑直径为( 2。

2——2。

6)mm，扫描方式采用分组变向.经过反复试验确定，该复合粉末可用于选择性激光烧结工艺，适宜的预热温度为70-80℃。

实验 1——分别对松木粉质量比为20%、25％、30%的木塑复合材料进行激光烧结.根据以往经验和初步试验，采用的工艺参数为：预热温度72℃，激光
功率7。

7W，扫描速率1900mm/s,烧结间距0.15mm,单层厚度0.15mm。

实验2-—根据能量密度公式，可将扫描速率设置为2000mm/s，烧结间距0.15mm，单层厚度0.1mm; 激光功率分别设置为3。

85/5.50/6.05/7.70/8.80/9.35/9。

90W。

即，分别采用0。

128、0.183、0。

202/0.257/0。

312/0。

33J/立方米的能量密度进行烧结实验,工作台预热温度控制在72℃左右。

3.2。

3力学性能测试
实验1结果表明：3种比例的复合粉末，均可在SLS试验中成型，当松木粉质量比增大时,烧结试件密度降低。

随着松木粉质量比的增加，烧结试件的
拉伸强度、弯曲强度、冲击强度均降低( 见表2），即力学性能减弱。

实验2结果表明: 当能量密度小于0.128J/立方米时，松木粉复合材料无法熔融成型或者烧结试件松散易分层。

随着能量密度的增加,力学性能逐渐增强，当能量密度达到0.312J/立方米时,力学性能最强; 大于此能量密度时，复合粉末发生过烧现象，降低了烧结试件的力学性能.烧结件的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度，随能量密度变化的趋势如图3。

3。

2.4 实验结论
松木粉/聚醚砜树脂，可作为激光烧结成型的一种新型木塑复合材料,其成本低、耗能低、易于制备及成型。

随着松木粉质量比的增加,粉末颗粒的流动性
降低，烧结试件的力学性能下降。

松木粉与聚醚砜树脂的质量比为1:4时，平均最大拉伸强度能达到4.85MPa、弯曲强度达到8.22MPa、冲击强度为1。

26MPa。

试件具有良好的韧性。

松木粉/聚醚砜树脂复合材料，烧结成型所需能量较低: 当输入能量密度为0。

128J/立方米时，该材料即可成型；当输入能量密度为0.312J/立方米时，就可达到良好的成型效果。

超过此能量密度时，由于松木粉部分纤维降解，木塑复合材料的力学性能逐渐下降。

【5】
4.选择性激光烧结技术的应用
几十年来，SLS工艺已经成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业,为许多传统制造业注入了新的生命力和创造力。

下面我会就SLS的运用最广泛的四个方面来说明这种技术在人类生产的具体实现.
4。

1艺术陶瓷的选择性激光烧结
选择性激光烧结所用的固体粉末材料可以是塑料粉、金属粉或陶瓷粉等。

对陶瓷粉，在进行选择性激光烧结时,要在陶瓷粉中加人一定量的粘结剂.在选择性激光烧结后,还要对制造出的零件进行后处理,即将零件放人温控炉中在较高的温度下进行焙烧，温控炉中的温度按要求随时间变化。

后处理的目的是为了提高陶瓷零件的机械强度和耐热强度.【6】目前已有学者做了一些陶瓷材料的SLS 成形过程的研究和探讨，但是这些研究都集中在三氧化铝等功能陶瓷上，与传统艺术瓷的材料及性能还是有着较大的差别。

为了解决应用SLS成形传统陶瓷材料的艺术瓷方法问题，本研究就常用陶瓷材料高白土展开了实验。

制备了高白土和环氧树脂的混合粉末材料，采用三维软件设计艺术瓷，再使用SLS设备成形,之后，结合冷等静压(cold isostatic pressing， CIP)、施釉、高温烧制等后处理工艺，最终制造出艺术瓷.
4。

1.1陶瓷激光烧结装置
如图二所示：
4.1。

2 实验材料及SLS成形设备
了获得与传统陶瓷一致的性能,主体材料选择传统陶瓷的材料.实验使用的是高白土，质量含量占整体材料总量的90％.高白土中铝和硅的含量高，泥色度白，粘性好，其主要成分为三氧化二铝18％二氧化硅62%。

材料中另外加入10%的环氧树脂E-06粉末,采用球磨机混粉2 h,待其混合均匀后即可获得所需的混合粉末材料。

实验所用成形设备为华中科技大学快速制造中心研制的HRPS-ⅢA型SLS机，它的成形工作腔为500 mm×500 mm×400 mm, 激光波长为10.6μm，光斑为0。

2 mm。

4.1。

3 实验处理
SLS：将建立好的模型文件输入SLS机中，然后选取合适的工艺参数进行烧结。

选取的工艺参数为：激光功率为11 W，扫描速度1600 mm/s，扫描间距0。

1 mm,单层厚度为0.20 mm。

后处理：SLS之后的制件先进行CIP：将制件浸入配置好的橡胶胶乳体系,在零件表面形成一层弹性薄膜，接着放入真空烘干箱，促使橡胶完全固化，反复多次，直到其随形包套厚度达到要求.随形包套完成后,再进行压力保压。

CIP完成后施釉，采用吹釉的方式将制件整体施高温黄釉，注意吹釉过程要均匀，并在嘴部和眼部分别涂红釉和黑釉(底部不上釉），阴干.最后，将施釉完成之后的制件用硼板托着放入气窑,温度设定1290 ℃，烧制12 h,然后随炉冷却。

4。

1.4 实验结论
通过实验及分析,本研究可以得到以下结论：采用SLS来成形艺术瓷这种工
艺从技术上来说是完全可行的。

它从设计到成形都较好的将数字化和自动化过程引入了传统行业；所得成品能较准确地反应制件的数字化设计原貌，并且成形速度快,不需要石膏模等模具的工艺支撑；工艺的成形过程不仅应用到了SLS，还应用到了CIP，成形过程相对麻烦，从而使工艺的应用上有所局限。

【7】
4。

2 选择性激光烧结技术在模具制造中的应用
近年来基于快速成形工艺（RPM）技术的模具制造技术已从最初的原形制造，发展到快速工模具制造，成为国内外应用研究开发的重点.基于RPM的模具制造技术可分为直接制模法和间接制模法。

4.2。

1直接制模法
直接制模法是直接采用RPM技术制作模具,即采用SLS法.用这种方法制造的钢制铜合金注射模，使用寿命可达50 000件以上.但采用SLS法在烧结过程中材料易产生较大收缩，精度难以保证。

4.2.2 间接制模法
间接制模法可分为软质简易模具的制作和钢质模具的制作。

(1)软质简易模具的制作
采用硅橡胶、金属粉环氧树脂粉和低熔点合金等将原形准确复制成模具,或对原型进行表面处理,用金属喷涂法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点较低的合金来制作模具.这种模具的寿命通常在50件～5000件，但由于其制造成本低、周期短，特别适合于产品试制阶段或小批量的生产。

(2)钢质模具的制作
将RPM技术与精密铸造技术相结合,可实现金属模的快速制造，或者直接制造出复形精度较高的EDM电极,用于注塑模、锻模、压铸模等钢制模具型腔的加工。

一个中等大小、较为复杂的电极通常只需要4h～8h即可完成，而且复形精度完全能满足图纸的要求。

福特汽车公司曾采用此技术制造汽车模具取得了满意的效果;上海交通大学也已通过RP与精密铸造结合的方法为汽车及汽车轮胎等行业生产进口替代模约80余副。

与传统机加工比较,快速模具制造的制作成本及周期可大大降低。

我国每年需进口模具达8亿多美元，主要是复杂模具和精密模具，因此,SLS技术在未来的模具制造业中的应用前景十分广阔。

4。

2。

3 实验结论
SLS技术是目前国际上比较流行的快速成形技术之一,它可以大大缩短产品投放市场的周期,同时可以降低生产成本，增强企业的竞争力;而在模具制造方面更具有很大优势,是今后模具制造领域研究的主要方向之一.【8】
4。

3选择性激光烧结技术在生物医用材料中的应用
生物医用材料是和生物系统相互作用，用来对生物体进行诊断、治疗、修复和置换病变或损坏组织、器官或增进其功能的一类材料，近年来,随着人们生活水平不断改善及平均寿命延长，对生物医用材料的需求快速增长,由于SLS技术具有原材料选择广泛、工艺过程简单、成形效率高、无需支撑等优点，得到医学领域的高度重视.
4.3。

1 SLS技术制备生物医用材料
SLS技术制备的生物医用材料主要为生物医用高分子材料、生物医用金属材料和生物医用复合材料。

这些医用材料在医学领域主要用来制作医用模型、植入体及赝复体和组织工程支架。

4。

3。

2 医用模型
SLS技术最早在生物医学领域的应用是用来制作医用模型，为临床提供医疗诊断，外科手术的设计与规划，手术过程的模拟及医用教学。

SLS技术制作个性化头颅骨模型的具体操作过程为:1。

建模素材，选取一个经防腐处理的头颅骨标本。

2.CT扫描，采用CT扫描机对头颅标本进行连续螺旋扫描.将得到的断层扫描图像传入重建工作站DICOM格式存储。

3.三维模型重建，采用Mimics软件自动读取DICOM格式的图像文件。

通过对骨组织区域识别、提取和三维叠加。

完成头颅骨缺损几何模型的三维重建。

重建好的数据通过CTM模块输出为STL格式文件。

4。

快速成形，采用Magics RP实体分层软件.以一定的间距对STL格式文件分层。

生成STL所需的断层STL文件。

然后将分层的STL文件输入STL成形机，将模型加工成形。

4.3.3 植入体及赝复体
植入体与赝复体采用与人体相容的生物材料制作,植入或戴入人体后可以起到治疗康复作用，从生物医学工程的角度,植入物必须满足以下条件：1.足够的
机械强度以承受机体的自重和运动时的冲击；2.个体匹配性，以与缺损部位和周围组织相匹配；3.良好的生物组织相容性。

然而现存的植入物缺乏个体匹配性。

材料科学、计算机技术和SLS技术的迅速发展，使植入物的个体化设计、快速制造及普及成为可能。

下面介绍我国科学家的两种获得植入体及赝复体途径：李兰风等科学家采用层析法获得左侧耳廓数据，三维重建左侧耳廓数字模型，镜像反求出右侧耳廓的三维数字模型,用蜡粉采用SLS技术制作出右侧耳廓的蜡模,并进行皮肤纹理及毛孔的雕刻.最后通过水浴加热法去蜡复制出硅橡胶耳赝复体.这样得到的耳廓蜡模具有良好的外形和精度，达到了临床应用的要求。

而且蜡模可以直接进行赝复体的后期处理工作，快速制作出耳赝复体.
陈德敏等科学家通过螺旋CT扫描，CAD三维重建成像,SLS技术，首先制成与患者颅骨缺损部位几何形态相同的个性化实体模型；然后应用翻模工艺和复合型生物活性人工骨材料,制成用于患者骨修复治疗的颅骨。

该人工颅骨几何外形与骨缺损部位非常吻合，与健康侧对称,临床效果非常理想.
采用以上两种方法制备赝复体的共同之处是：首先采用CT扫描和三维重建获得修复体的模型,然后通过SLS技术制造出实体，最后使用翻制工艺得到人工的赝复体.与传统制作方法相比，节约了时间和材料费用，减少了制作步骤和成本，为SLS技术在生物医学领域的推广应用提供了依据。

4。

3.4 组织工程支架
生物材料用于组织工程支架需要满足以下要求:1。

三维多孔的网络结构。

以利于细胞增殖、营养物质和代谢废物传递；2.良好的生物相容性，即无明显的细胞毒性、炎症反应和免疫排斥；3。

，适当的生物降解性，降解速度与新组织细胞的生长和繁殖相匹配；4。

合适的表面理化性质,以利于细胞的粘附、增殖和分化;5。

一定的生物力学性能，能在体内生物环境中保持结构和外形的稳定性和完整性。

用于组织工程支架的材料主要有天然生物材料、生物陶瓷和人工合成的聚合物材料。

传统制备工艺如纤维粘结法、溶液浇注、沥滤法、相分离法、气体发泡法和颗粒烧结法等得到的组织工程支架。

其力学强度差，孔隙相互贯通程度低，孔隙度与孔结构的可控性不灵活.快速成形技术通过选择性烧结聚合物或聚合物、生物陶瓷复合材料制造支架，支架的微观结构可通过调节SLS工艺参数来控
制，而且得到的支架都是多孔结构。

聚醚醚酮的弹性模量与皮质骨的弹性模量接近，并且具有良好的生物相容性.科学家采用SLS技术烧结PEEK/HA复合粉末，HA的含量在10％—-40%（质量分数)变化，制作了多种成分的无溶剂多孔复合材料支架，并分析了支架的孔隙度、微观结构、化学成分、生物活性和体外细胞的生殖能力.SLS技术能够控制支架的微观结构，这对于获得具有相互连接网络孔结构的三维支架是非常重要的。

【9】
5。

选择性激光烧件翘曲与开裂问题
烧结件的翘曲和开裂现象始终是SLS工艺的一个难题，这种现象最根本的原因是移动的激光点热源对粉床的不均衡加热，形成大的温度梯度，导致材料体收缩的不一致。

对SLS烧结件翘曲和开裂现象进行研究，不仅对SLS技术有重要的意义,对其它RP技术也有一定的参考价值。

5.1翘曲和开裂的机理
收缩主要发生在成形的两个阶段。

第一阶段发生在烧结过程中,由于致密、相变、溶解、结晶等原因造成的收缩称为熔固收缩:第二阶段是凝固后,从工作温度降到室温的过程，称为温致收缩.收缩和温度梯度还会导致成形件微裂纹的出现。

粉末材料发生瞬间的固一液一固相的转变，导致体积收缩,从而产生拉应力，后续材料不能充分供应而使残余液相液膜分离,产生微裂纹，这种裂纹属于热裂纹范畴。

5。

2 翘曲与开裂的影响因素
烧结件翘曲和开裂与材料体系本身的特性、工艺参数、工艺状况以及烧结件结构及定位等因素有关。

5。

2.1材料体系
通常在SLS工艺中为了减小烧结件收缩,应选择热膨胀系数小的粉末材料。

在多组元金属粉末中使用低熔点材料，不仅有效利用了激光能量,同时也减小了热应力的影响。

粉末体系的粒度通常不是均匀的,在粒度及堆垛方式的选择上粉末体系的粒度通常不是均匀的，在粒度及堆垛方式的选择上要尽可能的增大粉床的密度,减小熔固收缩。

液相表面张力对烧结过程有着重要的影响,减小熔池液相。