SLS, Selective_laser_sintering(选择性激光烧结)

SLS（选择性激光烧结）

选择性激光烧结的特点

发明于1989年；

比SLA要结实的多，通常可以用来制作结构功能件；

激光束选择性地熔合粉末材料：尼龙、弹性体、未来还有金属；优于SLA的地方：材料多样且性能接近普通工程塑料材料；

无碾压步骤因此Z向的精度不容易保证好；

工艺简单，不需要碾压和掩模步骤；

使用热塑性塑料材料可以制作活动铰链之类的零件；

成型件表面多粉多孔，使用密封剂可以改善并强化零件；

使用刷或吹的方法可以轻易地除去原型件上未烧结的粉末材料。

选择性激光烧结

选择性激光烧结（SLS）于1989年被发明。材料特性比光固化成型（SLA）工艺材料优越。多种材料可选而且这些材料接近热塑性塑料材料特性，如PC，尼龙或者添加玻纤的尼龙。

如图所示，SLS机器包括两个粉仓，位于工作台两边。水平辊将粉末从一个粉仓，穿过工作区间推到另一个粉仓。之后激光束逐步描绘整个层。工作台下降一个层高的厚度，水平辊从相反方向移回。如此往复直到整个零件烧结完毕。

选择性激光烧结快速自动成型（SLS—Rapid Prototyping）技术是先进制造技术的重要组成部分，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代技术成果。与传统制造方法不同，快速成型制造从零件的CAD模型出发，通过软件分层和数控成型系统，用激光束或其它方法将材料堆积而形成实体零件。即将复杂的三维制造转化成一系列的二维制造的叠加，因而可以在不用模具和传统刀具的条件下生成几乎任意形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。虽然由于成型材料的不同，成型件的强度和精度较低，很难直接作为最终零件或模具使用，但可以作为样件或模具的母模使用。当然直接制造模具的快速成型设备也有了初步的发展，本文重点讲述的是快速成型制造模具母模的技术。快速成型制模技术可以大大降低制模的成本，缩短模具的制造周期，增强产品的市场竞争力。目前该技术已经广泛应用于航空航天、汽车摩托车、科学研究、医疗、家电等领域。

1 SLS原理

快速成型技术根据成型材料的不同可以分为立体印刷成型（热固性光敏材料）、选择性激光烧结（石蜡、金属、陶瓷粉末）、熔融沉积造型（石蜡、塑料、低熔点金属）和分层实体制

造（纸、金属带、塑料膜）。本文介绍的是选择性激光烧结成型，用于成型加工的机器是从北京隆源购进的AFS320快速成型机。选择性激光烧结成型的原理是首先生成一个产品的三维CAD模型或曲面模型文件，将其转换成STL格式，再从STL文件“切”出设定厚度的一系列片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起来便是所涉及零件的形状。如图1所示，整个成型过程是在成型活塞筒内完成。在成型活塞筒的一侧有一个供粉活塞筒。成型步骤如下：

图1 AFS320快速成型机原理

首先，供粉活塞上移一定量。铺粉滚轮将粉末（PSB）均匀地铺在加工平面上。激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束以一定的速度和能量密度在加工平面上扫描。激光器的开与关以及扫描器的角度是与待成型的零件的片层的第一层信息相关。激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的片层，未扫过的地方仍然是松散的粉末，这样零件的第一层就制造出来了。这时，成型活塞下移一定距离，这个距离等于待成型零件的切片厚度，而供粉活塞上移一定量（上移的量与模型的切出的片层厚度有关，一般是略大于片层厚度）。铺粉滚轮再次将粉末铺平后，激光束依照零件的片层的第二层信息加工。激光扫过之后，所形成的第二个片层也烧结在第一层上，如此反复，一个三维实体就叠加制造出来了。

2 成型零件数据处理

成型零件要经过数据转换与处理。处理的软件分别有：三维CAD造型软件（如PRO/E、SolidWorks、SolidEdge或UG等）、数据转换与处理软件（MAGIC9.0）和监控软件（AFSWin）。造型软件都是市场上已有的，主要负责成型零件的几何造型，然后将创建的零件模型输出为STL格式。数据转换与处理软件MAGIC9.0打开STL文件，并进行一些数据处理与参数设置。

2.1 模型修补与缩放处理

因为各种三维造型软件都有自己的数据格式，三维造型软件创建的模型需要进行格式转换导出为STL格式，因此有可能会造成部分数据的丢失，MAG-IC9.0打开STL格式的模型文件时要进行检查，如发现模型中有错误或存在面的缺损，则需要进行错误修复与模型修补。因为零件是在高温下烧结成型的，成型以后回到常温下，零件都有一个收缩，因此，为了抵消这种收缩，一般是根据材料的不同进行模型放大补偿，一般沿Z向放大1.005。而根据成型以后的零件所作的用途还要给CAD模型作另外的缩放处理。例如用石腊作为成型材料做消失模。如果消失模是用来铸造铝件，那么要CAD模型整体放大1%，如果消失模是用来铸造钢件，那么要给CAD模型整体放大2%。根据模具铸造材料的不同选择不同的缩放比例。

2.2 模型放置与添加零件支撑

为了防止成型过程中零件的翘曲变形，需要给零件添加支撑。AFS（快速成型系统）提供了两种支撑方法，一种是网格支撑，一种是基于切片和零件形状的支撑。因为支撑只是在零件烧结成型的过程中防止零件翘曲变形，零件成型以后，支撑是需要去除的，因此支撑再烧结温度要小于零件的烧结温度。也就是激光束在扫描经过支撑的时候，激光器的功率要降低，扫描密度要降低，扫描线宽要增大。这样，支撑的烧结强度就低，成型以后很容易去除。如图2所示，成型零件是一个吸尘器的封盖，当封盖模型经过缩放处理后就可以添加支撑了，涂颜色的部分即是添加的支撑。添加支撑的原则是对那些悬掉点、下棱线、倾斜角度过大的表面三种结构需要加支撑。因此在放置模型时就应该考虑到支撑的放置问题。一般对表面质量要求较高的面最好放置为顶面，特别是对于细小凸起，如图2所示的箭头标志，更要放置在顶面；同时，如果凸起的尺寸太小，需要对凸起高度进行一定比例的放大。对于细长的悬臂类结构件最好横放，竖放难以保证悬臂的直线度。为了提高扫描的效率，一般应考虑将尺寸较大的边横放，减少扫描的层数，缩短加工时间。

图2 添加支撑