【南极熊3D打印文化】SLS 选择性激光烧结：影响最为深远的3D打印技术

SLS技术是高端制造领域普遍应用的技术。最初由美国德克萨斯大学的研究生C.R. Dechard提出，并于1989年研制成功。凭借这一核心技术，他组建了DTM公司，之后一直成为SLS技术的主要领导企业，直到2001年被3D Systems公司完整收购。几十年来，德克萨斯大学的DTM公司的科研人员在SLS领域做了大量的研究工作，并在设备研制、工艺和材料研发上取得了丰硕的成果。

国内方面，已有多家单位开展了对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、以及北京和湖南的3D打印企业，取得了许多重大成果。今天就跟你分享3D打印领域中的SLS技术。

1 SLS原理

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard发明，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。

SLS的工作过程与3DP相似，都是基于粉末床进行的，区别在于3DP是通过喷射粘结剂来粘结粉末，而SLS是利用红外激光烧结粉末。先用铺粉滚轴铺一层粉末材料，通过打印设备里的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着激光束在粉层上照射，使被照射的粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结。当一个层面完成烧结之后，打印平台下降一个层厚的高度，铺粉系统为打印平台铺上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射进行烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作。

SLS激光烧结成型工艺原理图（图片来源：南极熊）

SLS工艺原理

激光烧结技术是成型原理最复杂，条件最高，设备及材料成本最高的3D打印技术之一，但也是目前对3D打印技术发展影响最为深远的技术。从理论上来说，任何加热后能够形成原子间黏结的粉末材料都可以被用来作为SLS的成型材料，目前，已可成熟运用于SLS设备打印的材料主要有石蜡、尼龙、金属、陶瓷粉末和它们的复合材料。

SLS打印内部演示

2 SLS优势&技术限制

SLS优势：

1．可使用材料广泛。可使用的材料包括尼龙、聚苯乙烯等聚合物，铁、钛、合金等金属、陶瓷、覆膜砂等；

2．成型效率高。由于SLS技术并不完全熔化粉末，而仅是将其烧结，因此a制造速度快；

3．材料利用率高。未烧结的材料可重复使用，材料浪费少，成本较低；

4．无需支撑。由于未烧结的粉末可以对模型的空腔和悬臂部分起支撑作用，不必像FDM和SLA工艺那样另外设计支撑结构，可以直接生产形状复杂的原型及部件；

5．应用面广。由于成型材料的多样化，可以选用不同的成型材料制作不同用途的烧结件，可用于制造原型设计模型、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。

SLS技术限制：

1. 原材料价格及采购维护成本都较高。

2. 机械性能不足。SLS成型金属零件的原理是低熔点粉末粘结高熔点粉末，导致制件的孔隙度高，机械性能差，特别是延伸率很低，很少能够直接应用于金属功能零件的制造。

3. 需要比较复杂的辅助工艺。由于SLS所用的材料差别较大，有时需要比较复杂的辅助工艺，如需要对原料进行长时间的预处理（加热）、造成完成后需要进行成品表面的粉末清理等。

3 SLS的应用

金属粉末的烧结

用于SLS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。相应地，SLS技术在成型金属零件时，主要有三种方式：

a. 单一金属粉末的烧结

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%。

b. 金属混合粉末的烧结

主要是两种金属的混合粉末，其中一种粉末具有较低的熔点．另一种粉末的熔点较高。例如青铜粉和镍粉的混合粉。先将金属混合粉末预热到某—温度．再用激光束进行扫描，使低熔点的金属粉末熔化(如青铜粉)，从而将难熔的镍粉粘结在一起。烧结好的制件再经液相烧结后处理，可使最后制件的相对密度达到82%。

c. 金属粉末与有机黏合剂粉末的混合体

将金属粉末与有机黏合剂粉末按一定比例均匀混合，激光束扫描后使有机黏合剂熔化，熔化的有机黏合剂将金属粉末黏合在一起（如铜料和有机玻璃粉）。烧结好的制件再经高温后续处理，一方面去除制件中的有机黏合剂，另一方面提高制件的力学强度和耐热强度。

利用SLS技术打印的金属物件（图片来源：desingnswan.com）

利用SLS技术制成的金属艺术品（图片来源：南极熊）

目前，SLS发明人Dechard组建的美国DTM公司的产品中，已经商业化的金属粉末产品有以下几种：

1. RrapidSteel1.0，其材料成分为1080碳钢金属粉末和聚合物材料，聚合物均匀覆在粉粒的表面，成型坯的密度是钢密度的55%，强度可达2.8 MPa，所渗金属可以是纯铜，也可以是青铜，这种材料主要用来制造注塑模。

2. RrapidSteel2.0，其烧结成型件完全密实，达到铝合金的强度和硬度，能进行机加工、焊接、表面处理及热处理，可作为塑料件的注塑成型模具，注塑模的寿命可达到10万件/副，也可以用来制造用于Al、Mg、Zn等有色金属零件的压铸模，压铸模的寿命能达到200～500件/副。

3. Copper Polyamide，基体材料为铜粉，黏结剂为聚酰胺（Polyamide），其特点是成型后不需二次烧结，成型件可用于常用塑料的注塑成型，寿命为100～400件/副。

此外，还有德国EOS推出的DirectSteel（混合油其他金属粉末的钢粉末）等材料。

陶瓷粉末的烧结

与金属合成材料相比，陶瓷粉末材料有更高的硬度和更高的工作温度，也可用于复制高温模具。由于陶瓷粉末的熔点很高，所以在采用SLS工艺烧结陶瓷粉末时，需要在陶瓷粉末中加入低熔点的黏合剂。激光烧结时首先将黏合剂熔化，然后通过熔化的黏合剂将陶瓷粉末黏结起来成型，最后通过后处理来提高陶瓷零件的性能。

目前所用的纯陶瓷粉末原料主要有Al2O3和SiC，而粘结剂有无机粘结剂、有机粘结剂和金属粘结剂三种。由于工艺过程中铺粉层的原始密度低，因而制件密度也低，故多用于铸造型壳的制造。

SLS激光烧结制成的陶瓷制件

利用SLS工艺制成的陶瓷制件（图片来源：dentalcompare.com）

Shapeways公司利用SLS技术制成的陶瓷花瓶（图片来源：Shapeways）

高分子材料的烧结

在高分子材料中，经常使用的材料包括聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯粉（PS）、ABS、尼龙（PA）、尼龙与玻璃纤维的混合物、蜡等。高分子材料具有较低的成形温度，烧结所需的激光功率小，熔融黏度较高，没有金属粉末烧结时较难克服的“球化”效应，因此，高分子粉末是目前应用最多也是应用最成功的SLS材料。

尼龙材料因具有强度高、耐磨性好、易于加工等优点使其在SLS 3D打印领域得到了广泛应用。同时，可以在尼龙材料中加入玻璃微珠、碳纤维等材料，从而提高尼龙的机械性能、耐磨性能、尺寸稳定性能和抗热变形性能。

SLS激光烧结的尼龙工业制件（图片来源：华曙高科）

DTM公司的DuraForm PA尼龙材料打印的工业制件（图片来源：3D Systems）

DTM公司的CastForm（聚苯乙烯粉末）材料打印的工业制件（图片来源：3D Systems）

目前，国外已商品化的SLS高分子粉末材料主要有：

1. DuraForm PA（尼龙粉末，美国DTM公司），其热稳定性、化学稳定性优良。

2. DuraForm GF（添加玻璃珠的尼龙粉末，美国DTM公司），其热稳定性、化学稳定性优良，尺寸精度高。

3. Polycarbonate（聚碳酸酯粉末，美国DTM公司），其热稳定性良好，可用于精密铸造。

4. CastForm（聚苯乙烯粉末，美国DTM公司），需要用铸造蜡处理，以提高制件的强度和表面粗糙度，可用于失蜡制造工艺。

5. Somos 201（弹性体高分子粉末，DSM Somos公司），其类似橡胶产品，具有很高柔性。

具体而言，SLS的应用可大体归纳为六个方面

1. 快速原型制造。。SLS工艺能够快速制造模型，从而缩短从设计到看到成品的时间，可以使客户更加快速、直观的看到最终产品的原型。

2. 新型材料的制备及研发。采用SLS工艺可以研制一些新兴的粉末颗粒以加强复合材料的强度。

3. 小批量、特殊零件的制造加工。当遇到一些小批量、特殊零件的制造需求时，利用传统方法制造往往成本较高，而利用SLS工艺可以快速有效的解决这个问题，从而降低成本。

4. 快速模具和工具制造。目前，随着工艺水平的提高，SLS制造的部分零件可以直接作为模具使用。

5. 逆向工程。利用三维扫描工艺等技术，可以利用SLS工艺在没有图纸和CAD模型的条件下按照原有零件进行加工，根据最终零件构造成原型的CAD模型，从而实现逆向工程应用。

6. 在医学上的应用。由于SLS工艺制造的零件具有一定的孔隙率，因此可以用于人工骨骼制造，已经有临床研究证明，这种人工骨骼的生物相容性较好。

利用SLS工艺制成的组织工程骨支架材料（图片来源：3dprint.com）

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