陳 旭

（北京市科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100089）

3D打印無(wú)需傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序即可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”[1]。3D 打印技術(shù)正在快速改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，全世界各個(gè)國(guó)家均高度重視并積極推廣該技術(shù)。

3D打印的方法主要包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）法、熔融沉積成型（FDM）法、立體光固化成型（SLA）法、分層實(shí)體造型（LOM）法、電子束熔覆（3DP）法[2]和金屬液滴3D打印（metal droplet 3D printing）法[3-5]。其中，選擇性激光燒結(jié)法是3D打印中比較成熟的一種工藝方法。

近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療、建筑裝飾等領(lǐng)域率先獲得應(yīng)用并得到迅速發(fā)展，但針對(duì)該技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究相對(duì)較晚[6]?；诖耍疚氖紫冉榻B了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的加工原理，然后闡述了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展，最后對(duì)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。本文研究?jī)?nèi)容對(duì)了解選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀具有一定的參考價(jià)值。

1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的加工原理

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的加工原理是在激光束的照射下將粉末材料（金屬粉末材料或非金屬粉末材料或復(fù)合材料）進(jìn)行燒結(jié)，然后利用計(jì)算機(jī)軟件按照預(yù)先設(shè)定好的程序完成零/部件的堆積成型。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的加工原理圖如圖1所示。

圖 1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的加工原理圖[7]

2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

本文主要從金屬材料、非金屬材料兩方面闡述選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展情況。

2.1 金屬材料選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)最先應(yīng)用于金屬材料的加工制造中，且取得了很好的效果。任乃飛等人[8]對(duì)金屬粉末選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了間接法和直接法兩種典型的金屬粉末激光燒結(jié)成形方法，可以很大程度上縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本。史玉升等人[9]將真空壓差鑄造工藝和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合，成功制造出復(fù)雜、薄壁金屬零件，其工藝原理圖如圖2所示，該方法可以為降低熔失模的鑄造誤差提供較好的解決方案。

圖 2 選擇性激光燒結(jié)金屬零件快速鑄造工藝原理圖[9]

任繼文等人[10-11]研究了工藝參數(shù)對(duì)316不銹鋼粉末選擇性激光燒結(jié)溫度場(chǎng)的影響，并提出了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的有限元算法，其流程圖如圖3所示，為下一步實(shí)驗(yàn)選取合理的工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

圖 3 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的有限元算法流程圖[11]

周建等人[12]利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)將316L不銹鋼粉末加工成圓薄片，其利用有限元分析軟件ANSYS 在激光功率為 10 W、掃描速度為 2 000 mm/s、預(yù)熱溫度為 100 ℃的工藝參數(shù)條件下，成功將316L不銹鋼粉末成型為滿足使用性能要求的圓薄片，為選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型金屬制件過程中的工藝參數(shù)選擇奠定基礎(chǔ)。牛愛軍等人[13]研究了基于選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的金屬粉末成型工藝，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)制備出所需性能的仿生多孔金屬材料零件，為更好地提高制件的燒結(jié)性能提供依據(jù)。周萬(wàn)琳等人[14]利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成功制備出一種Ti6Al4V鈦合金種植體，該種植體的外形結(jié)構(gòu)完整、螺紋清晰、無(wú)明顯結(jié)構(gòu)缺損、表面精度高，為后續(xù)的臨床實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)支撐。胡小萍等人[15]研究了基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的鋁合金表面激光雕刻工藝，加工制造出立體感強(qiáng)、圖案逼真、裝飾效果優(yōu)的鋁合金型材產(chǎn)品，但激光制造成本高的問題還有待進(jìn)一步解決。季業(yè)益等人[16]利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)對(duì)304L不銹鋼粉末進(jìn)行加工試驗(yàn)研究，得到的試件硬度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能均滿足要求，為進(jìn)一步提高零/部件的成形質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)零件的精密成形提供有效參考。宋彬等人[17]將選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、鑄造工藝設(shè)計(jì)和模擬優(yōu)化技術(shù)，以及熔模精密鑄造技術(shù)相融合，成功制備出汽車雙金屬發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，如圖4所示，有效地解決了汽車雙金屬發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)周期長(zhǎng)、模具成本高、質(zhì)量不合格等問題。

2.2 非金屬材料選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在非金屬材料及復(fù)合材料的加工制造中有著廣泛的應(yīng)用。荊奕菲等人[18]研究了基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的球形石墨碎片成形工藝，利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)通過選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)組合（激光功率為21 W、掃描速度為2 400 mm/s、掃描間距為0.10 mm、分層厚度為0.21 mm），快速制備出復(fù)雜石墨原型件，為非金屬制件成型過程中的工藝參數(shù)選擇提供參考。師平等人[19]對(duì)選擇性激光燒結(jié)成型尼龍6的拉伸性能進(jìn)行研究，得到了成型工藝參數(shù)對(duì)尼龍6成型件拉伸性能的影響規(guī)律：在體堆積方向上激光功率對(duì)選擇性激光燒結(jié)成型尼龍6的拉伸力學(xué)性能影響程度最大，掃描速度和分層厚度次之，預(yù)熱溫度最小。司亮等人[20]研究了選擇性激光燒結(jié)與注塑成型尼龍 6制件的性能，研究結(jié)果表明：選擇性激光燒結(jié)成型制件比注塑成型制件的致密度小、抗拉強(qiáng)度高，但其斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能低、表面粗糙度大。師平、司亮等人所得研究結(jié)果為應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型尼龍6制件的最優(yōu)工藝參數(shù)組合的確定提供依據(jù)。王凡[21]利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)對(duì)聚苯乙烯基復(fù)合材料進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的聚苯乙烯基復(fù)合材料成型精度高、鑄件質(zhì)量?jī)?yōu)，為聚苯乙烯基復(fù)合材料的快速熔模鑄造奠定理論基礎(chǔ)。晏夢(mèng)雪等人[22]利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成功制備出輕質(zhì)復(fù)合材料飛行器儀器支架，如圖5所示。并對(duì)其性能進(jìn)行綜合評(píng)估，研究結(jié)果表明：利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備的復(fù)合材料飛行器儀器支架滿足力學(xué)性能、熱性能及動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能的各項(xiàng)要求，且支架減重約40%，滿足了目前飛行器儀器支架對(duì)輕量化、快速開發(fā)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的要求。徐翔民等人[23]研究了選擇性激光燒結(jié)Al2O3/PA12復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱性能，結(jié)果表明復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度隨著Al2O3含量的增加逐漸降低；而復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性不受Al2O3含量變化的影響，研究結(jié)果為更好地利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備出Al2O3/PA12復(fù)合材料構(gòu)件奠定了基礎(chǔ)。

圖 4 利用選擇性激光燒結(jié)制備的雙金屬發(fā)動(dòng)機(jī)缸體[17]

圖 5 制備的輕質(zhì)復(fù)合材料飛行器儀器支架[22]

3 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[24-26]主要有以下幾點(diǎn)：

（1）可以制造出高強(qiáng)度、材料性能優(yōu)異的零/部件，加工傳統(tǒng)方法難以制造的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零/部件時(shí)，無(wú)需多到加工工序，可直接獲得最終產(chǎn)品。

（2）零/部件成型過程中無(wú)需設(shè)計(jì)和構(gòu)造支撐部件。

（3）可以大幅減少零/部件的加工制造時(shí)間、降低制造成本、且對(duì)環(huán)境造成的污染較小。

但選擇性激光燒結(jié)技術(shù)也存在諸多缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[27-29]：

（1）零/部件打印過程中需要確保溫度恒定，打印前需預(yù)熱，打印后需冷卻。

（2）在打印全封閉的零/部件時(shí)需要預(yù)留孔洞，便于去除粉材。

（3）選擇性激光燒結(jié)過程能耗高，能量利用率低，且對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境有較高要求。

（4）零/部件成型過程中會(huì)出現(xiàn)層變形、微結(jié)構(gòu)聚集、 “球化”效應(yīng)等現(xiàn)象，影響表面粗糙度，從而降低零/部件的打印精度。

針對(duì)目前選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用中存在的不足之處，筆者認(rèn)為，未來(lái)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究方向應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)打印過程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，增加溫度傳感器及相應(yīng)控制算法或控制系統(tǒng)，并通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)打印過程中溫度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，確保打印過程中溫度恒定。

（2）對(duì)全封閉零/部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解分析，然后利用三維建模軟件對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)建模，并通過激光逐層精確打印，實(shí)現(xiàn)封閉零/部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一次成型，避免預(yù)留孔洞，以提高全封閉零/部件的成型速度及成型質(zhì)量。

（3）在其他參數(shù)保持不變的條件下，重點(diǎn)研究激光速度、激光功率、粉末大小和粉末溫度等對(duì)選擇性激光燒結(jié)成型過程的影響規(guī)律，以解決選擇性激光燒結(jié)過程能耗高、能量利用率低的問題。

（4）在激光能量密度低的情況下會(huì)出現(xiàn)“球化”現(xiàn)象，導(dǎo)致成型制件相對(duì)密度較低。針對(duì)此問題，需要研究改善現(xiàn)有快速成型工藝與設(shè)備，研討不同工藝參數(shù)下的制件成型質(zhì)量，通過單因素試驗(yàn)和多因素正交試驗(yàn)確定最優(yōu)參數(shù)組合，兼顧考慮制件的成型表面粗糙度、力學(xué)性能、熱性能等指標(biāo)，必要時(shí)需對(duì)制件進(jìn)行后處理操作，以改善制件的成型質(zhì)量及使用性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的成型工藝原理，從金屬材料、非金屬材料兩方面闡述了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展，分析了目前選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足，對(duì)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員了解選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀具有一定的參考價(jià)值。

作為近年來(lái)一種新興的制造技術(shù)，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)較傳統(tǒng)加工方法有著不可替代的優(yōu)越性，但還有很多方面需要完善，比如成型制件的表面質(zhì)量、力學(xué)性能和熱性能等。相信隨著科技的不斷進(jìn)步與快速發(fā)展，一定會(huì)取得更多的技術(shù)突破，進(jìn)而使選擇性激光燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用到更多領(lǐng)域，為制造業(yè)的發(fā)展提供巨大的動(dòng)力。