第三节 选择性激光烧结(SLS)成型技术
选择性激光烧结(Selected Laser Sintering，简称SLS)技术又称为激光选区烧结或粉末材料选择性激光烧结。此项技术是由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功的，目前该工艺已被美国DTM公司商品化。二十多年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究与开发工作，在设备研制、加工工艺和材料开发上取得了很大进展。德国的EOS公司也开发出了相应的系列成型设备。图2-19所示为一台SLS快速成型设备。
目前在国内也有很多机构进行SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、北京隆源自动成型有限公司等研制和生产出了系列的商品化设备。
SLS快速成型技术是利用粉末材料，如金属粉末、非金属粉末，采用激光照射的烧结原理，在计算机控制下进行层层堆积，最终加工制作成所需的模型或产品。SLS与SLA的成型原理相似，而所使用的原材料不同，SLA所用的原材料是液态的光敏可固化树脂，SLS使用的原材料为粉状材料。从理论上讲，任何可熔的粉末都可以用来制造产品或模型，因此可以选用粉末材料是SLS技术的主要优点之一。
图2-19 SLS快速成型设备
1—CAD数据 2—EOSint P 3—原型制件
一、SLS快速成型原理和系统组成
(一)SLS快速成型原理
图2-20所示为SLS快速成型系统的工作原理示意图。从图中可以看出，SLS快速成型的基本原理是采用激光器对粉末状材料进行烧结和固化。首先在工作台上用刮板或辊筒铺覆一层粉末状材料，再将其加热至略低于其熔化温度，然后在计算机的控制下，激光束按照事先设定好的分层截面轮廓，对原型制件的实心部分进行粉末扫描，并使粉末的温度升至熔化点，致使激光束扫描到的粉末熔化，粉末间相互粘结，从而得到一层截面轮廓。位于非烧结区的粉末则仍呈松散状，可作为工件和下一层粉末的支撑部分。当一层截面轮廓成型完成后，工作台就会下降一个截面层的高度，然后再进行下一层的铺料和烧结动作。如此循环往复，最终形成三维产品或模型。
由此可见，SLS技术是采用激光束对粉末材料(如塑料粉、金属与粘结剂的混合物、陶瓷与粘结剂的混合物、树脂砂与粘结剂的混合物等)进行选择性的激光烧结工艺，它是一种由离散点一层层堆积，最终成型为三维实体模型的快速加工技术。
(二)SLS快速成型系统的组成
SLS快速成型系统主要由主机、计算机控制系统和冷却器三部分组成。
1.主机 主要由机身与机壳、加热装置、成型工作缸、振镜式动态聚焦扫描系统、废料桶、送料工作缸、铺粉辊装置、激光器等组成。
(1)机身与机壳。此部分给整个SLS快速成型系统提供机械支撑及所需的工作环境。
图2-20 SLS快速成型系统的工作原理示意图
1—激光器 2—铺粉辊 3—供粉辊 4—工作缸 5—收粉缸
6—原型制件 7—未烧结粉末 8—铺粉 9—扫描镜 10—聚焦镜
(2)加热装置。此部分为送料装置和工作缸中的粉末提供预加热。
(3)激光器。提供烧结粉末材料所需的能源。当前激光器主要有两种：Nd-YAG激光器和CO2激光器。Nd-YAG激光器的波长为1.06μm，CO2激光器的波长为10.6μm。一般情况下，塑料粉末的烧结选用CO2激光器，金属和陶瓷粉末的烧结采用Nd-YAG激光器。
(4)成型工作缸。成品零件的加工是在工作缸中完成的。工作时，工作缸每次下降一个层厚的距离，如此循环往复。待零件加工完后，工作缸升起，取出制件，然后再为下一次的零件加工做准备。
(5)振镜式动态聚焦扫描系统。此系统由X-Y扫描头和动态聚焦模块组成。X-Y扫描头上的两个镜子能将激光束反射到工作面预定的X-Y坐标平面上。动态聚焦模块通过伺服电动机的控制，可调节Z方向的焦距，使得反射到X、Y坐标点上的激光束始终聚焦在同一平面上。动态聚焦扫描系统和激光器的控制始终保持同步。
(6)废料桶。用于回收铺粉时溢出的粉末材料。
(7)送料工作缸。提供烧结所需的粉末材料。
(8)铺粉辊装置。此装置包括铺粉辊及其驱动系统，作用是均匀地将粉末材料平铺在工作缸上。
2.计算机控制系统 由计算机、应用软件、传感检测单元和驱动单元组成。
(1)计算机。由上位机和下位机两级控制组成。其中，上位机是主机，一般采用配置高、运行速度快的计算机完成三维CAD数据的处理任务；下位机是子机，为执行机构，进行成型运动的控制工作，即机电一体的运动控制。通过特定的通信协议，主机和子机进行双向通信，构成并联的双层系统。
(2)应用软件。主要包括下列几部分软件：①切片模块：STL文件和直接切片文件两种模块；②数据处理：识别STL文件及重新编码；③工艺规划：烧结参数、扫描方式和成型方向等的设置；④安全监控：设备和烧结过程故障的诊断、自动停机保护等。
(3)传感检测单元。此部分包括温度和工作缸升降位移传感器。温度传感器用来检测工作腔、送料筒粉末的预加热温度，以便进行实时的温度监控。
(4)驱动单元。主要控制各电动机完成铺粉辊的平移和自转、工作缸上下升降和动态聚焦扫描系统各轴的驱动。
3.冷却器 此部分由可调恒温水冷却器、外管路组成，用于冷却激光器及提高激光能量的稳定性。
二、SLS快速成型工艺过程
SLS技术是利用各种粉末状材料进行快速成型，其大致的工艺过程是：首先将粉末材料铺覆在工作台面上，然后刮平；用CO2激光器在刚铺的粉末层上扫描出事先设定好的零件截面轮廓；经过扫描的粉末材料在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的一个截面层，并与下面已成型的截面轮廓部分相粘结；当一层截面烧结完后，再铺上新的一层粉末，然后再进行下一层截面轮廓的烧结工作；如此循环往复，最终成型成品或模型。SLS成型的工艺过程如图2-21所示。其具体工艺主要由以下两个过程组成：
(一)离散处理
首先，在计算机上创建出三维CAD数据模型，或通过逆向工程系统得到所需的三维实体图形文件，再将其转换成STL的文件格式。用离散软件从STL文件离散出一系列实现设定好的、具有一定厚度的有序片层，或者直接从三维CAD数据文件中进行切片。这些离散的片层按一定的次序累积叠加后，仍是所设计的三维零件实体形状。然后，再将这些离散的切片数据传输到SLS成型设备中，SLS成型机中的扫描器就会在计算机信息的控制下逐层进行扫描和烧结工作。
(二)叠加成型
SLS成型系统的主要结构是在一个封闭的成型室中安装两个缸体活塞机构。其中一个用于供粉，另一个用于粉末的烧结成型。在成型开始前，先用红外线板将粉末材料加热至低于烧结点的某一温度。在成型开始时，供粉缸内活塞上移一定的层厚，然后铺粉辊将粉料均匀地铺覆在成型缸加工表面上，接着激光束在计算机的控制下，以给定的速度对每一层给定的信息进行扫描。激光束扫过之处，粉末便会被烧结和固化成给定厚度的片层，未烧结的粉末则被用来作为支撑，零件的某一层便制作出来。然后，成型缸活塞再下移一事先设定的距离，供料缸活塞上移，铺粉辊再次铺粉，激光束再按该层的截面信息进行扫描，所形成的这一片层被烧结，同时固化在前一层上。如此循环往复，逐层叠加，最终加工制造出三维实体模型或样件。
图2-21 SLS快速成型工艺过程
a)SLS快速成型装置构成 b)扫描 c)一层加工完毕
1—刮板 2—激光器 3—废料粉工作台 4—原料粉工作台
SLS成型技术与前面讲到的SLA技术基本相同，只是将SLA使用的液态树脂材料换成了在激光照射下可以烧结和固化的粉末材料。
三、SLS成型技术
目前，SLS技术用的原材料一般为粉末，可选用的粉末有金属粉、塑料粉、陶瓷粉等，可分别制造出相应材料的产品原型或零件。
(一)金属粉末烧结技术
若材料为金属粉末，则可直接烧结成金属原型零件，但是金属粉末烧结的零件在强度和精度上都很难达到所需的外观。SLS技术用金属粉末大致有三种：单一金属粉末、金属粉加有机物粉末、金属混合粉等。以下简单介绍三种金属粉末的烧结技术。
1.单一金属粉末的烧结技术 先将粉末预热到一定温度，再用激光束扫描与烧结，然后将烧结好的产品制件经热等静压处理，从而使最后零件的相对密度达到99.9％。
2.金属粉末与有机粘结剂粉末的混合体的烧结技术 首先将金属粉末与有机粘结剂粉末按一定比例均匀混合；再使用激光束对其进行扫描，使有机粘结剂熔化并与金属粉末粘结在一起，如铜粉和PMMA(有机玻璃)粉的混合体；然后将烧结好的产品制件经高温等后续处理，去除产品制件中的有机粘结剂，从而提高制件的力学强度和耐热等物理性能，并增加成品制件内部组织的均匀性。
3.金属混合粉末的烧结技术 金属混合粉末主要是两种金属的混合粉末。两种金属粉末的熔点应该不相同，如青铜粉和镍粉的混合粉。其烧结工艺是首先将金属混合粉末预热到某一温度，然后用激光束进行扫描，此时低熔点的金属粉末(如青铜粉)被熔化，并与难熔的镍粉粘结在一起，然后再将烧结好的产品经液相烧结等后处理工序，从而使成品的相对密度可达到82％。
(二)塑料粉末烧结技术
SLS技术采用直接激光烧结一次成型，烧结好的产品制件无需进行后续处理。其工艺过程是将塑料粉末预热至稍低于其熔点，再采用激光束加热粉末，使其达到烧结温度，进而将粉末材料烧结在一起得到成品制件。
(三)陶瓷粉末烧结技术
SLS技术烧结用陶瓷材料需在粉末中加入粘结剂。现在所用的陶瓷粉末原料主要有Al2 O3和SiC，粘结剂有金属粘结剂、有机粘结剂和无机粘结剂三种。例如，SLS烧结的Al2 O3陶瓷粉末含有以下几种成分：Al2 O3陶瓷粉加金属粘结剂Al粉、Al2 O3陶瓷粉加有机粘结剂甲基丙烯酸甲酯、Al2 O3陶瓷粉加无机粘结剂磷酸二氢铵粉等。
采用陶瓷材料烧结的SLS模型制件可以直接用于生产各类铸件或是复杂的金属零件，多用于铸造型壳的加工制造。例如，用反应性树脂包覆的陶瓷粉末为原料进行烧结，型壳部分成为烧结体，零件部分不属于扫描烧结的区域，所以仍是未烧结的粉末。将壳体内部粉末清除干净后，在一定的温度下，使烧结过程中未完全固化的树脂进行充分固化，得到最终型壳。将制得的成型件进行功能测试可知，型壳制件在透气性、强度、发气量等方面的指标均能满足要求，但表面粗糙度值还需降低。
采用陶瓷粉末烧结制成的SLS模型制件的精度是由激光烧结时以及后续处理时的精度所决定的。在SLS粉末烧结过程中，其扫描点间距、扫描线行间距、粉末收缩率、烧结所需时间及光强等因素都会对陶瓷制件的精度有很大影响。另外陶瓷制件的后续处理(如焙烧时产生的变形、收缩等)也会影响陶瓷制件的表面精度。
四、SLS烧结件的后处理
由于SLS技术激光烧结速度很快，粉末经烧结熔融后还未相互充分扩散和融合就开始粘结，因此在一般情况下，原型制件的密度最大能达到实体密度的60％～70％，这将大大影响原型制件的强度。提高原型制件的强度可采用一些后处理工艺，如熔浸和浸渍、热等静压烧结、高温烧结等。
根据不同材料坯体和不同的制件性能要求，可以采用不同的后处理工艺。例如，采用金属粉末烧结的制件可以放到加热炉内进行加热后处理，在粘结剂烧尽后，金属粒子便在烧结的同时紧紧地相互粘结在一起了。
DTM公司用Rapid ToolTM专利技术，在SLS工艺系统Sinterstation2000上，将Rapidsteel粉末，即钢质微粒外包裹一层聚酯进行激光烧结；得到模具后，将其放在聚合物的溶液中浸泡一定时间，再放入加热炉中加热使聚合物蒸发；接着进行渗铜处理，出炉后打磨并嵌入模架。图2-22所示为采用上述加工工艺制作的高尔夫球头的模具及产品。
图2-22 采用SLS工艺制作高尔夫球头模具及产品
五、SLS技术的优缺点及应用举例
(一)SLS技术的优点
1.可采用多种材料 SLS技术可采用加热时黏度降低的任何一种粉末材料，通过材料或添加粘结剂的涂层颗粒经激光烧结可制造出任何产品或模型，以适应不同的产品与模型需求。与其他快速成型工艺相比，SLS成型技术能够制作硬度较高的金属原型或模具，它是快速制模和直接金属制造的重要手段，应用前景广阔。SLS成型技术开发的产品如图2-23、图2-24所示。
图2-23 SLS成型工艺开发的产品(一)
图2-24 SLS成型工艺开发的产品(二)
2.制造工艺比较简单 由于SLS成型技术可用多种粉末材料，激光烧结可直接生产复杂形状的产品原型、型模或零部件，因此SLS成型技术能广泛应用于工业产品设计当中，如可用于制造概念原型，也可作为最终产品模型、熔模铸造及少量母模的生产，或直接制造出金属注射模等。
此外，将SLS技术与精密铸造工艺相结合，可以整体加工制造出具有复杂形状的金属功能零件，而不需复杂工装及模具，因此可大大提高制造速度和降低制造成本。图2-25所示为采用快速无模具铸造方法制作的产品。
图2-25 快速无模具铸造方法制作的产品
图2-26所示为采用SLS技术快速制作的内燃机进气管模型，它可直接与相关零部件一起安装，进行功能测试与验证，快速检测内燃机的运行效果以及评价设计的优劣，以便进行针对性的改进，从而达到内燃机进气管产品的设计要求。图2-27所示为采用SLS技术直接制作的功能性零件。
图2-26 采用SLS技术快速制作的内燃机进气管模型
图2-27 采用SLS技术直接制作的功能性零件
3.高精度 制件的精度取决于所使用的粉末材料的种类和颗粒大小、产品模型的几何形状以及复杂程度。粉末材料的颗粒直径越小，则采用SLS技术制作的制件的精度就越高。一般情况下，SLS技术能够达到的公差范围在0.05～2.5mm之间。
4.无需设计支撑结构 SLS技术无需设计支撑结构，因为在层与层的叠加过程中，出现的悬空层面部分可直接由未烧结的粉末来辅助支撑。
5.材料利用率高 由于SLS技术不需要支撑结构，也不像有些成型工艺会出现许多废料，更不需要制作基底支撑，因此在众多快速成型工艺中，SLS技术的材料利用率是最高的，几乎是100％，且SLS技术用的大多数粉末的价格都比较便宜，所以其模型的制作成本较低。
6.工件翘曲变形 SLS技术所制成的工件的翘曲变形比SLA技术制成的制件要小，也无需对原型进行校正。
(二)SLS技术的缺点
1.耗时 SLS技术在加工前，通常需要花费2h左右的时间将粉末加热到接近粘结的熔点，且原型制件加工完毕之后还需要花费5～10h的时间进行冷却，才能将原型制件从粉末缸中取出。
2.后处理过程较为复杂 由于SLS技术的原材料是粉末状的，原型制件的加工是由粉末材料经过加热熔化来实现逐层粘结的，制得的原型制件表面呈颗粒状，因此表面质量不好，需进行必要的后处理。例如，烧结陶瓷、金属原型后，需将原型制件置于加热炉中，烧掉其中附带的粘结剂，再在孔隙中渗入一些填充物，如渗铜。因此，SLS技术后处理过程较为复杂。
3.烧结过程中有异味 由于SLS技术中的粉末粘结是采用激光使其加热至熔化状态，因此这些高分子材料在激光烧结熔化时通常会挥发出异味。
4.设备价格较高 为保证SLS技术使用安全，需对加工室充氮气，从而增加了该设备的使用成本。
六、SLS技术的研究现状
目前研究SLS技术及设备的机构和单位有：DTM公司、EOS公司、3D System 公司、华中科技大学、中北大学(原华北工学院)和南京航空航天大学、北京隆源公司等。
3D System公司推出的Sinterstation HiQ系列产品采用智能温控系统，提高了造型质量并缩短了后处理时间，充分提高了材料的利用率。另外，该公司推出的Sinterstation HS系列产品的激光器功率为100W，激光传输系统成型速度是Sinterstation HiQ产品的1.8倍，其成型材料种类较多，热塑料粉末、金属粉末、热橡胶粉末和高分子复合材料粉末等都可用于加工成型。
近期，北京隆源公司在推出AFS-300成型机以后，又推出了AFS-320、AFS-450等成型机型。其中AFS-320成型设备的主机与电控柜结构可进行拆分，并且一次成型制件的尺寸最大可达320mm×320mm×440mm。AFS-450成型设备的主机采用紧凑型结构，电控单元则采用新结构设计，并与成型室合为一体，采用外挂式操作显示平台，其一次成型尺寸可达450mm×450mm×500mm。北京隆源公司推出的成型设备的最大特点是可成型尺寸大的制件，成型速度快，并且可成型塑料件、蜡模、树脂砂等。
华中科技大学开发出的HRPS-Ⅰ型成型设备可用于铸造中砂型，HRPS-Ⅲ型成型机则用于高分子粉末成型。目前又推出几款机型，其独特的优点是具有双送料桶的送粉系统，这可使烧结时间大大缩短，最大成型空间可达500mm×500mm×400mm，激光最大扫描速度可达4m/s，并且可用多种粉末材料成型，如多种高分子粉末、金属粉末、陶瓷粉末和覆膜砂等。
目前，成熟的SLS技术所用的粉末材料为蜡粉和塑料粉。DTM公司为主要的SLS技术用粉末材料的研发商，每年都有多种新材料出现，其中采用Dura Form GF材料生产的产品制件精度更高，表面更光滑。该公司近期又开发出弹性聚合物Somos 201材料，它具有橡胶特性，并具有耐热和抗化学腐蚀性，用该材料可制造出汽车上的蛇型管以及门封、密封垫等一些防渗漏的柔性零件。采用Rapid Steel 2.0不锈钢粉制造的模具可生产出10万件注射件，并且此材料的收缩率只有0.2％，其产品制件可达到较高的精度，几乎不需后续抛光等工序。此外，DTM公司开发的Polycarbonate、铜-尼龙混合粉末可用于制作小批量的注射模，采用这种材料制作的零件具有较高的精度。目前DTM公司在研制尼龙、聚碳酸酯、蜡等材料的基础上，主要研制和推出的是金属型粉末材料，现已制造出样品，在不久的将来就会实现商品化。
SLS技术除了可以烧结陶瓷材料外，还可烧结塑料、聚合碳化物、尼龙、金属、蜡等粉末材料，并且在烧结这些材料时一般不用添加粘结剂，也无需后处理，因此利用SLS技术可以制造出高强度的模型或功能制件。近期在这方面研究取得较大进展的是德国EOS公司，其研发出了多种多功能成型材料，经SLS快速成型技术后可直接作为功能制件。例如，PrimePart FR材料为阻燃聚酰胺粉，适合制作航空航天领域用零部件；PrimePart ST材料为聚醚共聚酰胺粉，适合制作橡胶类柔韧弹性制件；PEEK HP3由于具有优良的耐磨、抗菌(即生物兼容)性，能在医疗领域取代钛合金，在航空航天领域中制作轻结构和阻燃件等。图2-28所示为EOS 公司近期研发生产的激光烧结成型机，分别可烧结金属粉末、陶瓷覆膜砂及石英砂、塑料等成型用材料。
图2-28 EOS公司生产的激光烧结成型机
a)烧结金属 b)烧结覆膜砂 c)烧结塑料
为了提高SLS技术的成型效率，中北大学(原华北工学院)研发出了采用变长度线扫描来取代点扫描的技术，其技术原理如图2-29所示。在扫描镜的协助下，激光器发出的光束在光束变形和线束变长单元中扩大，再进入一对圆柱形透镜组成的转换系统中，在此系统中环形光束将进行转换，变成长而狭的光束；此光束在两个处于正交位置扫描镜的作用下，进行X-Y平面的扫描运动。上述的各种装置，如扫描镜、反射板、负圆柱透镜等都是由计算机依据截面层的几何信息来控制的。采用这种变长度线扫描技术，其快速成型的效率比之前的点扫描成型提高了几倍。
图2-29 变长度线取代点扫描的技术示意图
1—计算机 2—激光器 3—铺粉辊
4—成型工件 5—激光束 6—光束与线速变形单元