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。

当一个层被扫描烧结完毕后，工作台下降一个层的厚度，一个敷料辊又在上面敷上一层均匀密实的粉末，直至完成整个造型。

在造型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用。

SLS也是不必象SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构，成型过程与复杂程度无关，无需任何工装模具。

因此特别适合于内部结构极其复杂的零件制造，例如，发动机缸体、缸盖、进排气管等。

2.1 选择性激光烧结技术的原理选择性激光技术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。

SLS技术的快速成型系统工作原理如图1所示。

图1 选择性激光烧结原理整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成。

工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择的烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。

粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层。

如此循环往复，层层叠加，知道三维零件成型。

最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件，对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。

与其他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成型加工材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。

由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛，适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。

2.2 SLS中成型材料的研究成型材料是SLS技术发展和烧结成功的一个关键环节，它直接影响成型件的成型速度、精度和物理化学性能，影响工艺和设备的选择及成型件的综合性能。

因此，国内外有许多公司和研究单位加强了这一领域的研究工作，并取得了重大进步。

◆国外主要SLS成型材料的产品及用途国外的许多快速成型系统开发公司和使用单位都对快速成型材料进行了大量的研究工作，开发了适合多种快速成型的材料。

其中在SLS领域以DTM公司所开发的成型材料最具有代表性，其已经商品化的SLS用成型材料的产品见表1。

表1 DTM开发的SLS用成型材料产品◆国内主要SLS成型材料的产品及用途与快速成型设备的研究相比，我国快速成型材料及工艺的研究相对滞后，目前还处在起步阶段，与国外相比还存在较大差距。

虽国内有多家研究开发单位对SLS材料和工艺进行了研究开发工作，但还没有专门的成型材料生产和销售单位。

国内几家主要快速成型技术研究单位开发的材料见表2。

表2 国内主要快速成型技术研究单位开发的SLS用材料2.3 SLS技术的主要特点SLS技术的特点归纳起来主要有一下几点：①过程与零件复杂程度无关，是真正的自由制造，这是传统的方法无法比拟的。

SLS与其它RP不同，不需要预先制作支架，未烧结的松散粉末做了自然支架。

SLS可以成型几乎任何形状的零件，对具有内部复杂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。

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。

金属粉末的SLS技术由于用途比较广泛，技术也比较成熟，现就重点介绍一下金属粉末的SLS相关研究内容。

早期SLS主要使用的是塑料粉末，随着工艺和材料的发展及制造业的要求，国内外科技工作者近几年对金属粉末的选择性烧结工艺做了大量的研究工作，并取得了重大的进步。

目前，金属粉末的SLS主要有直接法和间接法两种方法。

①直接法目前，直接法使用金属粉末材料是由高熔点金属粉末（用作结构材料）和低熔点金属粉末（用作粘接剂）混合而成，烧结时激光将粉末升温至两金属熔点之间的某一温度，使粘结金属粉末熔化，并在表面张力的作用下填充于未熔化的结构金属粉末颗粒间的孔隙中，从而将结构金属粉末粘结在一起。

为了更好的降低孔隙率，粘结金属的颗粒尺寸必须比结构金属的小，这样可以使小颗粒熔化后更好的润湿大颗粒、填充颗粒间的孔隙，提高烧结体的致密度。

此外，激光功率对烧结质量也有较大影响。

目前，直接SLS用的成型材料主要有：Ni-Sn，Fe-Sn，Cu-Sn，Fe-Cu，Ni-Cu 等。

②间接法间接法使用的粉末实际上是一种金属组元与有机粘结剂的混合物。

由于有机材料的红外光吸收率高、熔点低，因而在激光烧结过程中，有机粘结剂熔化，将金属颗粒粘结起来。

由于间接SLS工艺可以显著缩短工艺周期，因而近几年来，间接SLS工艺在金属粉末SLS技术中所占的比重明显上升。

2.4 SLS技术的应用领域几十年来，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。

概括的说，SLS工艺可以应用于以下一些场合：快速原型制造。

可快速制造设计零件的原型，及时进行评价、修正以提高产品的设计质量，使客户获得直观的零件模型、制造教学、实验用复杂模型。

快速模具和工具制造。

将SLS制造的零件和直接作为模具使用，如砂型铸造用模、金属冷喷模、低熔点合金模等。

也可将成型件经后处理后做功能性零件使用。

单件或小批量生产。

对于那些不能批量生产或者形状很复杂的零件，利用SLS技术来制造，可降低成本和节约生产时间，这对航空航天及国防工业更具有重大的意义。

3．目前选择性激光烧结成型技术尚存在的一些问题。

SLS是一种新兴的制造技术，在许多方面还不够完善。

如制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。

目前，制造出来的零件普遍存在着致密度、强度及精度较低、机械性能和热学性能不能满足使用要求等一系列问题。

这些成型件不能作为功能性零件直接使用，需要进行后处理（如热等静压HIP、液相烧结LPS、高温烧结及熔浸）后才能投入实际使用。

就SLS技术在金属粉末中的应用来说，存在的问题可以归结为以下两点：①在直接法中，虽然激光是一种重要的加工条件，但是如果激光功率过小，会使粘结金属熔化不充分，导致烧结体的残余孔隙过多；反之，如果功率太高，则又会生成过多的金属液，使烧结体发生变形。

因此对直接法而言，为了获得良好的烧结结构，必须不断摸索以寻找到最佳的激光功率。

而且直接法烧结后的零件机械强度和致密度较低，需进行后续处理（如液相烧结、热等静压等）才能满足使用要求。

②对于间接法而言，烧结后的成型件孔隙较大，强度也不是很高，必须经后处理才能成为密实的金属功能件。

一般的后处理工艺为脱脂→高温焙烧（或称二次烧结）→金属熔浸。

间接法的优点是烧结速度快，但主要缺点是工艺周期长，在后处理过程中零件的尺寸和形状精度会降低。

此外，还需要注意的是，由于金属粉末的SLS温度较高，为了防止金属粉末氧化，烧结时必须将金属粉末密封在充有保护气体的容器中。

保护气体有氮气、氢气、氩气及其混合气体。

烧结的金属不同，要求的保护气体也不同。

快速成型技术中，金属粉末激光烧结是近年来人们研究的一个热点，实现使用高熔点金属直接烧结成型金属零件，对传统切削加工方法难以加工制造出高强度零件以及对快速成型技术更广泛的应用具有重要的意义。

尤其在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制造方面。

近几十年来SLS技术得到了飞速发展，获得了良好的应用效果，但作为一项新兴制造技术，尚处于一个不断发展、不断完善的过程之中。

目前，SLS技术还有很大发展空间。

因此，需要加强SLS技术的研究，以使其能更好的服务于制造业。

4.关于SLS工艺的一些思考与建议SLS工艺过程中涉及的很多参数（如材料的物理化学性质、激光参数和烧结工艺参数等），这些参数影响着烧结过程、成型精度和质量。

零件在成型过程中，由于各种材料因素、工艺因素等的影响。

会使烧结件产生各种金属缺陷（如裂纹、变形、气孔、组织不均匀等）◆粉末材料的影响粉末材料的物理特性，如粉末粒度、密度、热膨胀系数以及流动性等对零件中缺陷形成具有重要的影响。

粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形成，还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。

粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成型件孔隙的增加和抗拉强度的降低。