馬旭東

（長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130013）

選擇性激光燒結(jié)在3D打印中的應(yīng)用

馬旭東

（長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130013）

選擇性激光燒結(jié)是快速成型技術(shù)中一個(gè)重要分支。它是材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械工程和光學(xué)工程等學(xué)科的高度集成。文章綜述選擇性激光燒結(jié)的特點(diǎn)與常規(guī)冶金方法的異同。介紹了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并指出了當(dāng)前研究存在的問題，提出了廣闊的前景。

SLS；快速成型；3D；打印

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（簡(jiǎn)稱SLS）是一種可以直接制造近終端零件、終端產(chǎn)品的3D打印技術(shù)[1]。它將激光燒結(jié)技術(shù)與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，通常是利用純金屬粉末或合金粉末直接制造出表面粗糙度較好、尺寸精度較高和致密性接近100%，具有冶金性質(zhì)的金屬零件[2]。SLS工藝在金屬3D打印中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，逐步的應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中。

1 選擇性激光燒結(jié)工藝簡(jiǎn)介

SLS最大的優(yōu)勢(shì)就是自由成形、無需模壓過程。并且適用SLS工藝材料種類寬泛、不需要支撐結(jié)構(gòu)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，節(jié)約了企業(yè)的成本。可以從金屬粉末和粘結(jié)劑混合燒結(jié)，金屬粉末燒結(jié)和金屬粉末壓坯燒結(jié)這三個(gè)方面對(duì)金屬粉末進(jìn)行制造成型。其工藝原理如圖1所示。

圖1 SLS技術(shù)的快速成型系統(tǒng)工藝原理

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

德國(guó)EOS公司一直都是全球3D打印技術(shù)（SLS）的領(lǐng)導(dǎo)者。它自行研發(fā)選擇性激光燒結(jié)最新的Eosint M 280的系統(tǒng)，不受傳統(tǒng)的加工限制，更加貼合產(chǎn)品的外形輪廓，使極端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到了實(shí)現(xiàn)。特別是在注塑模具設(shè)計(jì)上，給水路位置和形狀的設(shè)計(jì)提供更加廣闊的思路[3]。DTM公司推出Rapid Steel制造技術(shù)，開發(fā)了覆膜金屬粉末材料的燒結(jié)方案。該公司最新研制的Laser Form A6型材料，改善了SLS燒結(jié)模具零件的強(qiáng)度、硬度和使用壽命。簡(jiǎn)化了后處理工藝，提高了成型精度[4]。3D Systems公司[5]的主打產(chǎn)品Sinterstation HiQ系列產(chǎn)品采用的智能溫控系統(tǒng)提高了成型質(zhì)量并因此減少了后處理所需時(shí)間，同時(shí)提高了材料的利用率。Sinterstation HS系列產(chǎn)品的激光器為100W，加之高速的激光傳輸系統(tǒng)成型速度是Sinterstation HiQ產(chǎn)品的1.8倍，適用于多種打印材料。

我國(guó)從90年代就已經(jīng)開展SLS工藝的相關(guān)研究工作，國(guó)內(nèi)有多家從事研究選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)以及相適用材料的學(xué)校及研究所，并且在諸多方面取得令人矚目的成就。2000年北京隆源成功研制出復(fù)雜內(nèi)腔金屬零件的快速鑄造工藝；2009年開發(fā)出鑄造覆膜砂燒結(jié)成型的專業(yè)設(shè)備，并成功用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的快速開發(fā)；2011年華曙高科成功研制出我國(guó)首臺(tái)選擇性激光燒結(jié)設(shè)備FS401α機(jī)，使我國(guó)成為繼美國(guó)3Dsystems、德國(guó)EOS外，世界上第三家高端選擇性激光燒結(jié)設(shè)備制造商。2012年華曙高科成功研制出PA3-C尼龍材料，使我國(guó)成為世界上第二家尼龍材料的制造商。華中科技大學(xué)快速成形中心長(zhǎng)期以來一直進(jìn)行快速成形裝備、工藝以及材料方面的研究。經(jīng)過多年的研究，成功開發(fā)出一系列選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)。

3 發(fā)展前景分析

選擇性激光燒結(jié)作為3D打印的發(fā)展較早的一類，發(fā)展也遇到了瓶頸。其設(shè)備價(jià)格昂貴，也給它的大規(guī)模推廣帶來困難。一方面產(chǎn)品制造效率較低，滿足不了量產(chǎn)需求，另一方面打印精度工藝缺陷顯著影響著零件的精度。材料方面，可以打印掌握的材料有限，高端的產(chǎn)品打印，無論是材料、工藝還是設(shè)備都受制于外國(guó)專利。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)SLS的研究主要是設(shè)備、材料燒結(jié)方案和激光燒結(jié)系統(tǒng)的研制與開發(fā)。在SLS設(shè)備未來的研究中，①集中在打印速度的提升；②提高設(shè)備對(duì)各種打印材料的適應(yīng)能力；③大力降低設(shè)備制造成本。在3D打印技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的過程中，打印材料的開發(fā)以及對(duì)應(yīng)材料打印方案的確定一定會(huì)完成標(biāo)準(zhǔn)化，令每一種設(shè)備、材料和方案都實(shí)現(xiàn)完美匹配。目前市面上主流的3D打印材料和對(duì)應(yīng)的燒結(jié)方案主要由Stratasys公司、3D Systems和EOS公司開發(fā)。而國(guó)內(nèi)高端產(chǎn)品的打印材料仍然依賴進(jìn)口，并且價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)要想普及和大力發(fā)展3D打印，必須要突破國(guó)外在技術(shù)和專利上的封鎖[3-5]，開發(fā)出擁有自主產(chǎn)權(quán)的材料和其燒結(jié)方案。選擇性激光燒結(jié)（SLS）的一系列專利，其中包含該技術(shù)對(duì)鋁、銅以及鋼鐵等多種材質(zhì)進(jìn)行打印的專利已于2014年到期，這無疑給3D打印的迅速發(fā)展，工業(yè)工程的發(fā)展帶來巨變。

4 結(jié)束語

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)迅速崛起，可以實(shí)現(xiàn)以往難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。SLS在打印金屬材料的優(yōu)勢(shì)不斷被挖掘，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，豐富和發(fā)展了3D打印技術(shù)，汽車、航天、模具、電氣等諸多工程領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)制造業(yè)的技術(shù)革新。

[1]陳思翰,劉福興.用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制作陶瓷原件研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(11):116-120.

[2]文進(jìn)希.3D打印—智造建筑[J].住宅與房地產(chǎn),2016,(2):73-74.

[3]董新蕊.3D打印行業(yè)巨頭德國(guó)E0S公司專利分析[J].中國(guó)發(fā)明與專利,2013,(12):45-50.

[4]史玉升,閆春澤,魏青松,等.選擇性激光燒結(jié)3D打印用高分子復(fù)合材料[J].中國(guó)科學(xué):信息科學(xué),2015,45(2):204-211.

[5]薛亮.3D打印雙雄會(huì)—Stratasys與3D Systems專利布局對(duì)比分析[J].中國(guó)發(fā)明與專利,2013,(5):48-53.

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2096-2789（2016）11-0071-01