第四章_选择性激光烧结成型工艺详解
选择性激光烧结成型技术的工艺与应用
选择性激光烧结成型技术的工艺与应用第一篇：选择性激光烧结成型技术的工艺与应用选择性激光烧结成型技术的研究与应用摘要：介绍了选择性激光烧结成型技术的基本原理、工艺过程和特点，阐述了激光烧结技术的材料和设备的选择，列举了激光烧结技术在各个领域特别是模具制造领域的应用，并且分析了现有技术中存在的问题以及前景的展望。
关键词：快速成型；选择型激光烧结（SLS）；模具制造 1.引言快速原型技术（Rapid Prototyping，PR）是一种涉及多学科的新型综合制造技术。
它是借助计算机、激光、精密传动和数控技术等现代手段，根据在计算机上构造的三位模型，能在很短时间内直接制造产品模型或样品。
快速原型技术改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品的更新换代速度，降低了企业投资新产品的成本和风险。
选择性激光烧结机技术（Selective Laser Sintering，SLS）作为快速原型技术的常用工艺，是利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。
与其他快速成型工艺相比，其最大的独特性是能够直接制作金属制品，而且其工艺比较简单、精度高、无需支撑结构、材料利用率高。
本文主要介绍选择型激光烧结成型技术的基本原理、工艺特点、材料设备选择以及应用等内容。
2.选择性激光烧结技术（SLS）2.1 选择性激光烧机技术（SLS）的基本原理和工艺过程选择性激光烧机技术（SLS）工艺是一种基于离散-堆积思想的加工过程，其成形过程可分为在计算机上的离散过程和在成形机上的堆积过程，简单描述如下：（1）离散过程。
首先用CAD软件，根据产品的要求设计出零件的三维模型，然后对三维模型进行表面网格处理，常用一系列相连三角形平面来逼近自由曲面，形成经过近似处理的三维CAD模型文件。
然后根据工艺要求，按一定的规则和精度要求，将CAD模型离散为一系列的单元，通常是由Z向离散为一系列层面，称之为切片。
然后将切片的轮廓线转化成激光的扫描轨迹。
第四章-选择性激光烧结成型工艺详解教学内容
第四章 选择性激光烧结成型工艺
1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 3 选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理 5 选择性激光烧结工艺参数
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第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
1.选择性激光烧结工艺的基本原理
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
表4-4 部分DuraForm系列粉末材料及性能
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
表4-5 DTM公司开发的部分金属粉末及树脂砂材料及性能
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
德国EOS公司开发的系列粉末烧结材料:
粉末烧结快速成型设备著名开发商德国EOS公司也开发了系列粉末烧结材料，其型号及性 能等如表4-6所示。
用于SLS工艺的材料是 各类粉末，包括金属、陶瓷、 石蜡以及聚合物的粉末，工 程上一般采用粒度的大小来 划分颗粒等级，如右表所示。 SLS工艺采用的粉末粒度一 般在50～125µm之间。
表4-1 工程上粉体的等级及相应的粒度范围
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
（1）硬件方面
扫描系统 激光器
采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速度和高精度的特 点
采用美国CO2激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、 功率稳定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以全封闭恒温水 循环冷却系统
新型送粉系统 可使烧结辅助时间大大减少
表4-6 EOS公司开发的部分粉末材料及性能
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
国内开发的SLS材料：
国内几家主要快速成型技术研究单位研制的成型材料见表4-7。 表4-7 国内各单位开发的SLS用成型材料
选择性激光烧结技术讨论
选择性激光烧结技术讨论选择性激光烧结技术讨论1.选择性激光烧结技术（SLS）的发展现状⽬前RP技术的快速成型⼯艺⽅法有⼗多种，主要有：⽴体光固造型（⽴体印刷）SLA；选择性激光烧结SLS；叠层技术LOM；熔融沉积造型FDM ，三维印刷3D-P。
选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering）是发展最快，最为成功且已经商业化的RP⽅法之⼀，采⽤该技术不仅可以制造出精确的模型，还可以成型具有可靠结构的⾦属零件作为直接功能件使⽤。
由于其具有诸多优点，如粉末选材⼴泛、适⽤性，可直接烧结零件等，因此在现代制造中受到越来越⼴泛的重视。
SLS技术最初是由美国德克萨斯⼤学奥斯汀分校于1989年提出的。
后来美国DTM公司于1992年推出该⼯艺的商品化⽣产设备。
⼏⼗年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了⼤量研究⼯作，在设备研制和⼯艺、材料开发上取得了丰硕的成果。
德国的EOS公司在这⼀领域也做了很多研究⼯作，并开发了相应的系列成型设备。
在国内，很多单位进⾏了SLS的相关研究⼯作，如华中科技⼤学、南京航空航天⼤学、西北⼯业⼤学、华北⼯学院和北京隆源⾃动成型有限公司等也取得了许多重⼤成果。
如北京隆源⾃动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型的商品化设备。
如果从烧结⽤材料的特性来划分，选择性激光技术的发展可分为两个阶段：⼀是⽤SLS技术烧结低熔点的材料来制造原型。
⽬前的烧结设备和⼯艺⼤多处于这⼀阶段。
所使⽤的材料是塑料、尼龙、⾦属或者陶瓷的包⾐粉末）（或于聚合物的混合物）；⼆是⽤SLS技术直接烧结⾼熔点的材料来制造零件2. 选择性激光烧结技术的研究内容选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)是20世纪80年代末出现的⼀种快速成型新⼯艺—利⽤激光束烧结粉末材料分层加⼯制造技术。
零件的三维描述被转化为⼀整套切⽚，每个切⽚描述确定⾼度的零件横截⾯。
采⽤激光束对粉末状的成型材料进⾏分层扫描，受到激光束照射的粉末被烧结。
选择性激光烧结(SLS)
3D打印技术 —选择性激光烧结
旅顺职业中专
李建新
授课内容
01 选择性激光烧结技术介绍 02 选择性激光烧结技术发展 03 选择性激光烧结技术应用
01 PART ONE 选择性激光烧结技术
1、SLS打印技术
SLS打印技术概念：
选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering, SLS），主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基 本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然 后逐层烧结堆积成型
华曙高科通过3D打印SLS技 术，为某汽车生产的车用空 调总成的部件原型件产品， 节省了磨具，修复等环节， 大大节省了时间，以前使用 CNC机床制造磨具，大概需 要14天时间，使用3D打印 后仅需要4天时间就可以交 付产品，单次打印的费用是 开模费用的10%
华曙高科与武汉萨普科技股份有限公司合作，采用连续增材制造解决方案建造 时间仅用10小时，将长度近1米、结构复杂的汽车空调HVAC壳体一体成型，且 其强度、精度完全符合技术标准。
02 选择性激光烧结技术发展 PART TWO
2、激光烧结技术发展
选择性激光烧结工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl R. Deckard 于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R.Dechard创立了DTM公司，并于1992年 发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。
选择性激光烧结快速成形技术
选择性激光烧结快速成形技术摘要：选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下，能吸收能量。
发生熔融固化，从而完成层信息的成型。
这种方法适用的材料范围广(适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末)，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点，有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。
本文就SLS的原理，优点，以及使用材料的发展做了简要概括，并对金属粉末的进行了重点讨论。
关键字：SLS，原理，材料，金属粉末目录前言 (1)1 选择性激光烧结快速成形技术的应用 (1)2 选择性激光烧结快速成形技术原理 (2)2.1 基本工作原理 (2)2.2 SLS快速成形技术工艺流程 (4)2.3 SLS烧结机理 (4)3SLS技术的特点 (5)4 中北大学SLS方面的成果 (6)5 选择性激光烧结用原材料 (6)5.1 金属材料 (7)5.2 聚合物材料 (8)5.3 陶瓷材料 (8)5.4 新型SLS原料的研制-木塑复合材料 (8)6 金属粉末选择性激光烧结(SLS)技术 (8)6.1 间接法 (9)6.2 直接法 (10)6.3 金属粉末SLS存在的问题 (11)6.4 金属粉末SLS发展趋势 (12)总结 (12)参考文献 (14)前言选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术(简称SLS技术)1989年由美国C.R Decard申请专利，DTM公司推向市场，之后因为具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点，得到了迅速的发展，受到越来越多的重视。
选择性激光烧结(SLS)也可被称为选区激光烧结，它跟其它的快速成型工艺一样，加工原理也是离散-堆积成型原理。
其以Nd:YAG或CO2激光发射器为加工能源，利用计算机来控制激光束对加工材料（包括高分子材料、金属粉末、预合金粉末材料及纳米材料等）按设定的速度并调整合适的激光能量密度并根据切片截面轮廓的二维数据信息进行烧结，层层堆积，全部烧结完后去掉周围多余的粉末, 再对烧结件进行打磨、烘干等一系列后处理操作便可以获得零件。
选择性激光烧结
选择性激光烧结◆激光选区烧结法（SLS）SLS法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。
加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。
目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。
在成型的过程中因为是把粉末烧结，所以工作中会有很多的粉状物体污染办公空间，一般设备要有单独的办公室放置。
另外成型后的产品是一个实体，一般不能直接装配进行性能验证。
另外产品存储时间过长后会因为内应力释放而变形。
对容易发生变形的地方设计支撑，表面质量一般。
生产效率较高，运营成本较高，设备费用较贵。
能耗通常在8000瓦以上。
材料利用率约100%。
选择性激光烧结(SLS)－－材料广泛的快速成型工艺SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。
SLS工艺是利用粉末状材料成形的。
将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。
SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。
粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统（硬件和软件）。
SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。
3.3 选择性激光烧结法(SLS) 选择性激光烧结法又称为选区激光烧结。
它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。
选择性激光烧结的工艺过程
课堂导入
观看视频并回答
通过观看《SLS技术工艺过程》视频，讨 论以下问题： 1. 选择性激光烧结成型技术的工艺过程 可分为几个步骤呢？ 2. 选择性激光烧结成型技术需要设计支 撑结构吗？
2
本节 知识点
1 选择性激光烧结工艺过程
2 金属粉末材料
3 陶瓷粉末材料烧结工艺
4 铸造覆膜砂
5 高分子粉末材料及其复合材料
16 覆膜砂型（芯）浇注的液压阀体铸件及其剖分图
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& 课堂讨论
请阅读本节拓展知识，了解更多选择性激光烧结成型制作的关键点，说 说金属间接烧结工艺的关键点是什么？
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微信公众号：华唐集团
①
②
③
④
⑤
将附着在烧结件 表面的粉末清理 干净
以手工涂刷的方 式浸渗树脂；
对制件进行打磨、 抛光等处理工艺， 满足制件的使用 功能要求。
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2. 渗蜡后处理工艺
（1）清理制件表面的浮粉； （2）防止制件长时间浸泡于蜡液中变软变形，根据制件特征合理选择蜡 液温度和渗蜡时间。
（3）根据铸件质量要求，对渗蜡制件进行相应的表面处理。
SLS高分子原材料
热塑性材料
晶态：发展潜力较大 非晶态：目前使用较多
热固性材料：最常用的是酚醛树脂和环氧树脂
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1. 渗树脂后处理工艺
根据材料的不同， 称量环氧树脂与 稀释剂以及固化 剂，其比例需要 通过实验测得；
涂刷完毕，用吸 水纸将制件表面 多余的树脂吸净， 置于室温下自然 晾干，再放置于 60℃烘箱中进行 固化；
（1）无压烧结 （2）等静压烧结 （3）熔渗浸渍处理
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四、铸造覆膜砂
覆膜砂与铸造用热型砂类似，采用酚醛树脂等热固性树脂包覆锆砂、石英 石的方法制备。在SLS成形过程中，酚醛树脂受热产生软化和固化，使覆膜砂 黏结成形。由于激光加热时间很短，酚醛树脂在短时间内不能完全固化，砂型 （芯）的强度较低，须对其加热后固化处理，经固化之后的砂型或砂芯才能够 浇注金属铸件。
选择性激光烧结
选择性激光烧结是SLS法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末 材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的 作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地 烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末筒移至最左边，在加工区域内 用滚筒均匀地铺上一层热塑性粉状材料，然后根据扫描轨 迹，用激光在粉末材料表面绘出所加工的截面形状，热量 使粉末材料熔化并在接合处与旧层粘接。当一层扫描完成 后，重新铺粉、烧结，这样逐层进行，直到模型形成。因 而SLS工艺是一种基于离散堆积成形的数字化生产技术，通 过离散把复杂的三维制造转化为一系列的二维制造的叠加， 把零件的制造过程转化为有序的简单单元体的制造与结合 过程，其意义是十分深远的。
1).离散过程。首先用CAD软件，根据产品的要求设计出零 件的三维模型，然后对三维模型进行表面网格处理，常用 一系列相连三角形平面来逼近自由曲面，形成经过近似处 理的三维CAD模型文件。然后根据工艺要求，按一定的规 则和精度要求，将CAD模型离散为一系列的单元，通常是 由Z向离散为一系列层面，称之为切片。然后将切片的轮廓 线转化成激光的扫描轨迹。
SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。 将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平;用高强度的CO2激光 器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下 被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接;当一 层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。 SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆 砂(覆膜砂)、聚碳酸脂(poly carbonates)、金属和陶瓷粉末等都可以作 为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无 需考虑支撑系统(硬件和软件)。SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切， 如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材 料烧结的模型可做消失模。3.3 选择性激光烧结法(SLS) 选择性激光烧 结法又称为选区激光烧结。它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材 料(金属粉末或非金属粉末)，激光在计算机控制下，按照界面轮廓信 息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。
第4章 粉末材料选择性激光烧结增材制造系统
粉（成形后常需进行再烧结和渗铜处理）、覆裹热
凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和覆蜡金属粉等，近年 来更多的采用复合粉末。 粉末粒度一般在50-125 μm
复合粉末的两种混合形式：
粘接剂粉末与金属（陶瓷）粉末按一定比例机械混合。
金属（陶瓷）粉末放到粘接剂稀释液中，制备具有粘结 剂包覆的金属或陶瓷粉末。
高温烧结后处理后，由于制件内部空隙减少会导致体积收缩 ，影响制件的尺寸精度。炉内温度梯度不均匀会造成制件各个 方向收缩不一致而发生翘曲变形。
2. 热等静压
金属和陶瓷坯体均可采用热等静压进行后处理。 热等静压后处理工艺是通过流体介质将高温和高压同时均匀 地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，并改 善其它性能。使用温度范围为0.5Tm～0.7Tm ( Tm为金属或陶
激光扫描系统
将激光能量传递到待加工粉末上 粉末材料发生熔化、粘接，完成层面加工
目前，SLS增材制造主要采用XY直线导轨和振镜扫描。激光烧结成形过程中，为保证较好的烧结表
面质量和烧结精度，一般要求扫描速度在6m/min以上。扫描参数直接影响烧结件质量。烧结件的
强度主要取决于面内强度和层与层之间的粘结强度，面内强度和层间的粘结又取决于光斑直径的大 小及光点间的距离。此外，内应力的大小也与扫描间距有关。扫描方式的不同则会影响加工强度， 内应力及变形，扫描速度对成形速度和强度也有一定影响。
粘接剂包覆的粉末比机械混合的效果要好。
4.4 SLS增材制造的优缺点
优点：
1. 材料范围广，开发前景广阔
从理论上讲，任何受热粘结的粉末都有被用作SLS增材制
造成形材料的可能。通过材料或各类粘结剂涂层的颗粒制造 出适应不同需要的任何造型，控制下可以方便迅速地制造出传统加工方法难 以实现的复杂形状的零件。
第四章_选择性激光烧结成型工艺介绍
第三节 选择性激光烧结工艺过程
（3）后处理
激光烧结后的PS原型件，强度
很弱，需要根据使用要求进行渗蜡 或渗树脂等进行补强处理。由于该 原型用于熔模铸造，所以进行渗蜡 处理。渗蜡后的该铸件原型如图所 示。
图4-9 某铸件经过渗蜡处理的SLS原型
第三节 选择性激光烧结工艺过程
优点：
◎可直接制作金属制品 ◎无需支撑结构 ◎可采用多种材料 ◎制造工艺比较简单
◎材料利用率高
缺点：
◎原型表面粗糙 ◎烧结过程挥发异味 ◎有时需要比较复杂的辅助工艺
第四章 选择性激光烧结成型工艺
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选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 选择性激光烧结快速成型材料及设备 选择性激光烧结工艺过程 高分子粉末烧结件的后处理 选择性激光烧结工艺参数
程上一般采用粒度的大小来 划分颗粒等级，如右表所示。 SLS 工艺采用的粉末粒度一 般在50～125µ m之间。
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：
◎粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合； ◎把金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的金属或陶瓷粉末。 实践表明，采用粘结剂包裹的粉末的制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。近 年来，已经开发并被应用于SLS粉末激光烧结快速原型制作的材料种类如表4-2所示。 表4-2 常用的SLS工艺的材料
数据处理
工艺规划
安全监控
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
华中科技大学（武汉滨湖机电技术产业有限公司）开发了金属粉末熔化快速成 型系统，目前推出了HRPM-I和HRPM-II两种型号。该设备可直接制作各种复杂精 细结构的金属件及具有随形冷却水道的注塑模、压铸模等金属模具，材料利用率高。 图4-6为HRPM-II金属粉末熔化快速成型机。
选择性激光烧结铺粉工艺分析
17工业技术1 选择性激光烧结铺粉概述 选择性激光烧结工艺英文名称为Selective Laser Sintering，简称为SLS，该工艺技术最初是由美国人C. R. Dechard 提出的，并于上世纪90年代初开发了成型机。
选择性激光烧结工艺的工作原理是非金属或者金属粉末在激光的照射下，并在计算机的辅助下完成堆积成型，目前选择性激光烧结铺粉工艺在工业上的应用很广，并在人们的日常生活中发挥了重要的作用。
2 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 （1）选择性激光烧结工艺基本原理。
选择性激光器烧结工艺的基本原理是对粉末材料济宁固化和烧结，首先，将粉末材料用辊筒或者刮板平均铺在成型的零件表面，之后慢慢升温，当温度升高至接近其熔点时，借助计算机辅助软件的设计，将激光在粉末表面进行扫面，并逐渐升温至其熔点，进行烧结铺粉连接。
当表面上的一层粉末烧结铺粉完成后，工作台下降一个层的厚度，按照上述工艺流程继续进行下一个层面的烧结铺粉过程，该过程反复进行，直至整个零件完成烧结铺粉，选择性激光烧结工艺基本原理图如下图1所示。
选择性激光烧结铺粉工艺分析张 俏（湖南有色金属职业技术学院,湖南 株洲 412000）摘 要：近年来，选择性激光烧结铺粉工艺技术逐渐进入大众视野，其本质是一种增材制造的先进工艺技术，在借助计算机辅助计算下能够更加精密、高效地加工各种精密零价，本文对选择性激光烧结铺粉工艺概述、原理特点、制造工艺及其应用方面探讨了探讨。
关键词：选择性；激光；烧结；铺粉工艺DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2019.20.016程后处理。
下面以某一铸件的SLS 原型制作工艺为例简单介绍其制作工艺过程。
1）前处理。
前处理主要是对工艺参数和工艺流程的准备，首先利用CAD 建造一个三维的模型图，之后将该成型的CAD 三维造型经过STL 数据终端传输到快速成型系统中。
2）粉层激光烧结叠加。
第二个过程是分层在成型零件表面上的烧结叠加，该过程首先是预热一下成型空间，尤其是高分子材料，其预热温度一般需要达到100℃。
第四章_选择性激光烧结成型工艺详解
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
国内开发的SLS材料：
国内几家主要快速成型技术研究单位研制的成型材料见表4-7。 表4-7 国内各单位开发的SLS用成型材料
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
2.选择性激光烧结快速成型设备
研究选择性激光烧结（SLS）设备工艺的单位有美国的DTM公司、3D Systems 公司、德国的EOS公司以及国内的北京隆源公司和华中科技大学等。 下图是DTM公 司的Sinterstation 2500和2500Plus机型，如图所示。其中2500Plus机型的成型体积比过 去增加了10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速度。
图4-11 金属齿轮零件
第三节 选择性激光烧结工艺过程
3. 金属零件直接烧结工艺
金属零件直接烧结工艺采用的材料是纯粹 的金属粉末，是采用SLS工艺中的激光能源对 金属粉末直接烧结，使其融化，实现叠层的堆 积。其工艺流程如图所示。
金属零件直接烧结成型过程较间接金属零 件制作过程明显缩短，无需间接烧结时复杂的 后处理阶段。但必须有较大功率的激光器，以 保证直接烧结过程中金属粉末的直接熔化。因 而，直接烧结中激光参数的选择，被烧结金属 粉末材料的熔凝过程及控制是烧结成型中的关 键。
图4-2 选择性激光烧结系统的基本组成
第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
2.选择性激光烧结工艺的特点
优点：
◎可直接制作金属制品
◎可采用多种材料
◎无需支撑结构
◎制造工艺比较简单
◎材料利用率高
缺点：
◎原型表面粗糙 ◎烧结过程挥发异味 ◎有时需要比较复杂的辅助工艺
第四章 选择性激光烧结成型工艺
选择性激光烧结的原理和工艺
推荐激光烧结—快速成型制造技术原理与工艺激光选区烧结（SLS----Selective Laser Sintering）又称选域激光烧结、粉末材料选择性烧结等。
是借助精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。
1）工艺原理激光选区烧结工艺原理（见图3-8）。
其工艺过程主要由两个过程组成。
a信息过程―离散处理。
在计算机上建模的CAD 三维立体造型零件，或通过逆向工程得到的三维实体图形文件．将其转换成STL 文件格式。
再用一离散（切片）软件从STL 文件离散出一系列给定厚度的有序片层。
或者直接从CAD 文件进行切片。
这些离散的片层按次序累积起来仍是所设计的零件实体形状。
然后，将上述的离散（切片）数据传递到成型机中去，成型机中的扫描器在计算机信息的控制下逐层进行扫描烧结。
b物理过程―叠加成型。
成型系统的主体结构是在一个封闭的成型室中安装两个缸体活塞机构，一个用于供粉，另一个用于成型。
成型过程开始前，用红外线板将粉末材料加热至恰好低于烧结点的某一温度。
成型开始时，供粉缸内活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉料均匀地铺在成型缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的速度和能量对第一层信息进行扫描。
激光束扫过之处粉末被烧结固化为给定厚度的片层，未烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层便制作出来。
这时，成型缸活塞下移一给定量，供料虹活塞上移，铺粉滚简再次铺粉，激光束再按第二层信息进行扫描，所形成的第二片层同时也被烧结固化在第一层上，如此逐层叠加，一个三维实体零件就制作出来了。
这种工艺与立休印刷成型（SLA ）基本相同，只是将SLA 的液态树脂换成在激光照射下可以烧结的粉末材料，并由个温度控制单元优化的辊子铺平材料以保证粉末的流动性，同时控制工作腔热量使粉末牢固粘结。
2）系统组成激光选区烧结决速成型系统一般由主机、控制系统和冷却器三部分组成主机主机主要由成型工作缸、废料桶、铺粉辊装置、送料工作缸、激光器、振镜式动态聚焦扫描系统、加热装置、机身与机壳等组成。
第四章 选择性激光烧结SLS
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结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得 原型或零件。选域激光烧结技术造型速度快，—般制品， 仅需1—2天即可完成。
二、工艺原理
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其工艺过程是，用红外线板将粉末材料加热至恰好低于 烧结点的某一温度，然后用计算机控制激光束，按原型 或零件的截面形状扫描平台上的粉末材料，使其受热熔 化或烧结。继而平台下降一个层厚，用热辊将粉末材料 均匀地分布在前一个烧结层上，再用激光烧结。如此反
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（b）图（ h< β ，但h> ε(ε为激光束半径)） 当h< β ，但h> ε(ε为激光束半径) 时，扫描线大部分重叠。此时相邻区 域的激光能量可以使该区域的粉末烧 结但此时激光总能量的分布呈现波峰 波谷，能量分布不均匀，使得扮未的 烧结深度不一致，烧结的零件密度也 不均匀。
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（c）图（ h< ε） 当h< ε时；扫描线的激光能量叠 加后，分布基本上是均匀的，此 时粉末烧结深度一致，烧结的零 件密度均匀。
六、工艺步骤
1、粉末原料的烧结工艺 2、烧结件的后处理
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1、粉末原料的烧结工艺
（1）金属粉末的烧结 用于选域激光烧结的金属粉末主要有三种：单一金属粉 末、金属混合粉、金属粉加有机物粉末等。相应地，金 属粉末的选域激光烧结也有三种方法。 a. 单一成分金属粉末的烧结 例如铁粉。先将铁粉预热到一定温度，再用激光束扫 描、烧结。烧结好的制件经热等静压处理，可使最后零 件的相对密度达到99．9%。
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陶瓷粉末的烧结也选用Nd：YAG激光器。塑料粉末如聚 碳酸酯的烧结可用C02激光器，因为聚碳酸酯在5.0—11.0 μm波长范围内具有很高的吸收率。
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（2） 激光功率密度和扫描速度 激光功率密度由激光功率和光斑大小决定。在固态粉末 选域激光烧结中，激光功率密度和扫描速度决定了激光 能对粉末的加热温度和时间。 a.如果激光功率密度低而扫描速度快 粉末不能烧结，制造出的原型或零件强度低或根本不能 成型。 b.如果激光功率密度太高而扫描速度又很低 会引起粉末汽化，烧结密度不仅不会增加，还会使烧结 表而凹凸不平，影响颗粒之间、层与层之间的连结。
SLS选择性激光烧结.pptx
AFS－300型选择性激光烧结主机结构示意图
1-激光室； 2-铺粉机构； 3-供料缸； 4-加热灯； 5-成形料缸； 6-排尘装置； 7-滚珠丝杆螺母机构； 8-料粉回收箱
选择性激光烧结机光路系统
1-指示器； 2-光束合成器； 3、4-反射镜； 5-扩束镜； 6-聚焦镜； 7-扫描器
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四、SLS工艺优点
选择性激光烧结技术
成型0701 第八小组 小组成员：鲁建飞 王旭松 肖娟 李慧 邓富敏 主 讲 人：王旭松
快速原型制造技术简介
快速原型制造技术（Rapid Prototype Manufacturing， 简称RP）是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、 机械工程、电子技术及激光技术的技术集成以实现从 零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。它 是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是由 CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体 零件制造的技术的总称。
四、SLS工艺优点
四、SLS工艺优点
材料利用率高：未烧结的粉末可以重复利用。 制件具有较好的力学性能：成品可直接用作功能测试或
小批量使用。 实现设计制造一体化：配套软件可自动将CAD数据转化
为分层STL数据，根据层面信息自动生成数控代码，驱 动成形机完成材料的逐层加工和堆积，不需人为干预。
它利用粉末状材料（主要有塑料粉、蜡粉、金属粉、表 面附有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等） 在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下按照界面轮 廓信息进行有选择的烧结，层层堆积成形。
一、SLS技术概述
SLS技术使用的是粉状材料，从理论上讲，任何可熔的粉 末都可以用作制造模型。而且制造出的模型可以用作真 实的原型元件。
SLS工艺研究现状：美国的DTM公司、3D Systems公司， 德国的EOS公司；国内的北京隆源自动成型系统有限公司 和华中科技大学等。
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第二节 选择性激光烧结的材料及设备
表4-8 国内外部分选择性激光烧结快速成型设备一览表
第四章 选择性激光烧结成型工艺
1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 3 选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理 5 选择性激光烧结工艺参数
用于SLS工艺的材料是 各类粉末，包括金属、陶瓷、 石蜡以及聚合物的粉末，工 程上一般采用粒度的大小来 划分颗粒等级，如右表所示。 SLS工艺采用的粉末粒度一 般在50～125µm之间。
表4-1 工程上粉体的等级及相应的粒度范围
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：
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第三节 选择性激光烧结工艺过程
选择性激光烧结工艺使用的材料一般有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉 末和它们的复合粉末材料。材料不同，其具体的烧结工艺也有所不同。
1. 高分子粉末材料烧结工艺
高分子粉末材料激光烧结快速原型制造工艺过程同样分为前处理、粉 层烧结叠加以及后处理过程三个阶段。
下面以某一铸件的SLS原型在HRPS-IVB设备上的制作为例，介绍具 体的工艺过程。
前处理
成型
后处理
第三节 选择性激光烧结工艺过程
（1）前处理
前处理阶段主要完成模型的三 维CAD造型，并经STL数据转换后 输入到粉末激光烧结快速原型系统 中。
右图是某个铸件的CAD模型。
图4-7 某铸件的CAD模型
第三节 选择性激光烧结工艺过程
（2）粉层激光烧结叠加
首先对成型空间进行预热。对于PS高分子材料，一般需要预热到100℃左右。 在预热阶段，根据原型结构的特点进行制作方位的确定，当摆放方位确定后，将状 态设置为加工状态，如下图所示。
图4-8 原型方位确定后的加工状态
第三节 选择性激光烧结工艺过程
（3）后处理
激光烧结后的PS原型件，强度 很弱，需要根据使用要求进行渗蜡 或渗树脂等进行补强处理。由于该 原型用于熔模铸造，所以进行渗蜡 处理。渗蜡后的该铸件原型如图所 示。
图4-9 某铸件经过渗蜡处理的SLS原型
第三节 选择性激光烧结工艺过程
表4-6 EOS公司开发的部分粉末材料及性能
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
国内开发的SLS材料：
国内几家主要快速成型技术研究单位研制的成型材料见表4-7。 表4-7 国内各单位开发的SLS用成型材料
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
2.选择性激光烧结快速成型设备
研究选择性激光烧结（SLS）设备工艺的单位有美国的DTM公司、3D Systems 公司、德国的EOS公司以及国内的北京隆源公司和华中科技大学等。 下图是DTM公 司的Sinterstation 2500和2500Plus机型，如图所示。其中2500Plus机型的成型体积比过 去增加了10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速度。
在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必象
SLA和FDM工艺那样另行生成支撑工艺结构。
第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末块会上升到初 始的位置，将其拿出并放置到后处理工作台上，用刷子小心刷去表 面粉末露出加工件部分，其余残留的粉末可用压缩空气除去。
图4-12 基于SLS工艺的金属零件直接制 造工艺流程
第三节 选择性激光烧结工艺过程
4. 陶瓷粉末烧结工艺
陶瓷粉末材料的选择性激光烧结工艺需要在粉末中加入粘结剂。目前所用的 纯陶瓷粉末原料主要有Al2O3和SiC，而粘接剂有无机粘接剂、有机粘接剂和金属粘 接剂等三种。
当材料是陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造用的壳形来生产各类铸件，甚至是 复杂的金属零件。
◎粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合； ◎把金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的金属或陶瓷粉末。
实践表明，采用粘结剂包裹的粉末的制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。近 年来，已经开发并被应用于SLS粉末激光烧结快速原型制作的材料种类如表4-2所示。
表4-2 常用的SLS工艺的材料
国内华中科技大学（武汉滨湖机电产业有限责任公司）、南京航空航天大学、 中北大学和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果和系列的商品 化设备。
SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原 理，在计算机控制下层层堆积成型。SLS的原理与SLA十分相似，主要区别在于 所使用的材料及其性状不同。SLA所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而 SLS则使用粉状的材料。
陶瓷粉末烧结制件的精度由激光烧结时的精度和后续处理时的精度决定。在 激光烧结过程中，粉末烧结收缩率、烧结时间、光强、扫描点间距和扫描线行间 距对陶瓷制件坯体的精度有很大影响。另外，光斑的大小和粉末粒径直接影响陶 瓷制件的精度和表面粗糙度。后续处理（焙烧）时产生的收缩和变形也会影响陶 瓷制件的精度。
排烟除尘系统 及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响
工作腔结构
全封闭式，防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
（2）软件方面 独自开发的功能强大的HRPS’2002软件，有如下特点：
切片模块 数据处理 工艺规划 安全监控
具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件， 由用户选用）两种模块
1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 3 选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理 5 选择性激光烧结工艺参数
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第二节 选择性激光烧结的材料及设备
1.选择性激光烧结快速成型材料
SLS工艺材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡 等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。
2. 金属零件间接烧结工艺
在广泛应用的几种快速原型技术方法 中，只有SLS工艺可以直接或间接的烧结 金属粉末来制作金属材质的原型或零件。 金属零件间接烧结工艺使用的材料为混合 有树脂材料的金属粉末材料，SLS工艺主 要实现包裹在金属粉粒表面树脂材料的粘 接。其工艺过程如右图所示。由图中可知， 整个工艺过程主要分三个阶段：一是SLS 原型件（“绿件”）的制作，二是粉末烧 结件（“褐件”）的制作，三是金属溶渗 后处理。
图4-11 金属齿轮零件
第三节 选择性激光烧结工艺过程
3. 金属零件直接烧结工艺
金属零件直接烧结工艺采用的材料是纯粹 的金属粉末，是采用SLS工艺中的激光能源对 金属粉末直接烧结，使其融化，实现叠层的堆 积。其工艺流程如图所示。
金属零件直接烧结成型过程较间接金属零 件制作过程明显缩短，无需间接烧结时复杂的 后处理阶段。但必须有较大功率的激光器，以 保证直接烧结过程中金属粉末的直接熔化。因 而，直接烧结中激光参数的选择，被烧结金属 粉末材料的熔凝过程及控制是烧结成型中的关 键。
快速成型与快速模具制造技术及其应用
机械工业出版社（第三版）
第四章 选择性激光烧结成型工艺
第四章 选择性激光烧结成型工艺
选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering，SLS)又称为选区激光烧结技 术，该方法最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard于1989年提出 的，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstation)。 20年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，并取得了丰硕 成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成 型设备。
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
美国DTM公司开发的粉末材料：
在SLS领域，以DTM公司所开发的成型材料类别较多，最具代表性，其已商品化的SLS用 成型材料产品见表4-3，其中部分高分子材料粉末的具体型号及其指标与性能如表4-4所示，部 分金属粉末及树脂砂粉末的物理与力学性能如表4-5所示。
表4-3 DTM公司开发的部分SLS用成型材料
2、褐件制作关键技术 烧结温度和时间：烧结温度应控制在合理范围内，而且烧结时间应适宜。 3、金属熔渗阶段关键技术 选用合适的熔渗材料及工艺：渗入金属必须比“褐件”中金属的熔点低。
第三节 选择性激光烧结工艺过程
实例： 采用金属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合，其体积比为67%、16%、
17%；在激光功率40W下，取扫描速度170mm/s，扫描间隔在0.2mm左右，扫描 层厚为0.25mm时烧结。后处理二次烧结时，控制温度在800℃，保温1h；三次烧 结时温度1080℃，保温40min；熔渗铜时温度1120℃，熔渗时间40min。所成型的 金属齿轮零件如图所示。
然后设定建造工艺参数，如层厚、 激光扫描速度和扫描方式、激光功率、 烧结间距等。当成形区域的温度达到 预定值时，便可以启动制作了。
在制作过程中，为确保制件烧结 质量，减少翘曲变形，应根据截面变 化相应的调整粉料预热的温度。
所有叠层自动烧结叠加完毕后， 需要将原型在成型缸中缓慢冷却至 40℃以下，取出原型并进行后处理。
图4-2 选择性激光烧结系统的基本组成
第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
2.选择性激光烧结工艺的特点
优点：
◎可直接制作金属制品
◎可采用多种材料
◎无需支撑结构
◎制造工艺比较简单
◎材料利用率高
缺点：
◎原型表面粗糙 ◎烧结过程挥发异味 ◎有时需要比较复杂的辅助工艺
第四章 选择性激光烧过程
第三节 选择性激光烧结工艺过程
金属零件间接烧结工艺过程中的关键技术： 1、原型件制作关键技术 选用合理的粉末配比：环氧树脂与金属粉末的比例一般控制在1：5与1：3之间。 加工工艺参数匹配：粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层厚、激光功率以及扫描 速度等。