干货——3D打印SLS技术详解

3D打印（3D Printing）技术（又名快速成型技术，PRM），是在计算机控制下，基于“增材制造”原理，立体逐层堆积离散材料，进行零件原型或最终产品的成型与制造的技术。该技术以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，将3D实体变为若干个2D平面，利用激光束、电子束、热熔喷嘴等方式将粉末、热塑性材料等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品[1]。

3D打印工艺原理
经过几十年的发展，目前已经开发出多种3D打印技术路径，从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类，基础成型主要代表技术路径为熔融沉积成型（FDM）；粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型（EBM）、选择性激光烧结（SLS）、三维打印（3DP）、选择性热烧结（SHS）等；光聚合成型主要包括光固化（SLA）、数字光处理（DLP）、聚合物喷射（PI）；其他技术包括激光熔覆快速制造技术（LENS）、熔丝制造（FFF）、融化压模（MEM）、层压板制造（LOM）等。
3D打印主要实现技术

其中FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流技术，熔融沉积成型FDM工艺一般是热塑性材料，以丝状形态供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结；光固化快速成形SLA，又称立体光刻、光成形等，是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的快速成型工艺；叠层实体制造LOM工艺是快速原型技术中具有代表性的技术之一，是基于激光切割薄片材料、由黏结剂黏结各层成形；选择性激光烧结SLS工艺，是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积方式成形三维零件的一种快速成形技术；3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

国内快速成形研究起步在1991年[2]。清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学、浙江大学等高等院校相继开展了成型理论、工艺方法、设备、软件、材料等配套技术的研究。各大学及主要研究机构针对3D打印研究的方向及进展情况如下:
清华大学:开展SLA, LOM, FDM, SLS基础理论、工艺以及RPM工艺集成的研究，研制了基于FDM的熔融沉积造型系统FDM-250以及基于LOM+FDM工艺的多功能平台的M-RPMS系统:进行光固化树脂研究，成功解决了FDM用蜡丝材制备，正在进行ABS丝材的研制。
西安交通大学:开展SLA,FDM工艺研究，开发出了一种SLA工艺的实验室样机和一种工业化样机(RP)，开发出性能与国外光敏树脂相近的树脂材料。
华中科技大学:开展LOM工艺研究，开发出采用LOM工艺的HRP系统，进行了LOM用叠层材料研究，研制出LOM工艺用纸及粘结剂并进行了优选。
浙江大学:开展光敏固化树脂材料及精度的研究。
北京隆源公司:采用美国技术推出了商品化的AFS-300系统，进行SLS工艺研究并提供原型服务，研制了用于SLS工艺的树脂砂及蜡基材料。
南京航空航天大学:主要从事SLS工艺及设备的研究，已经研制出一台激光选区烧结原型样机(RAP-I )，同时还进行烧结工艺、快速模具和快速精铸方面的研究。

直接金属激光烧结技术（DMLS）
通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件。这种零件制造工艺被称为“直接金属激光烧结技术（Direct Metal Laser-Sintering）”。南极熊3D打印网上有一些相关方面的开源技术资料。
通过选用不同的烧结材料和调节工艺参数，可以生成性能差异变化很大的零件，从具有多孔性的透气钢，到耐腐蚀的不锈钢再到组织致密的模具钢。这种离散法制造技术甚至能够直接制造出非常复杂的零件，避免了采用铣削和放电加工，为设计提供了更大的自由度。

DMLS详细技术原理

早些年只有相对软的材料适用这种技术，而随着技术的不断进步，适用领域也扩展到了塑料、金属压铸和冲压等各种量产模具。应用这项技术的优点不仅是周期短，而且使模具设计师能够把心思集中在如何建构最佳的几何造型，而不用考虑加工的可行性上。结合CAD和CAE技术可以制造出任意冷却水路的模具结构。

DMLS是金属粉体成型，有同轴送粉和辊筒送粉两类。同轴送粉的技术适合制造分层厚度在1mm以上物件，大型的金属件，目前我国最大的工件居然是核电部件，在四川制造。一些航空部件西工和北理工开始产业化了。辊筒送粉的产品精细度高，适合制造小型部件，因为制造过程部件很容易热变形。制造空间超过电脑机箱大小都是很困难的。以上几类3D打印其实都是对应了材料的热曲线，需要材料配合，以金属粉体为例，既涉及到粉体粒径形貌又涉及到粒径搭配，还需要热处理使得马氏体和奥氏体之间结构转化。

DMLS技术由德国EOS公司开发，与SLS和SLM技术原理非常类似。EOS公司出品的EOSINT M 系列机型也非常类似3D Systems 公司的 sPro 系列机型。M系列能打印铝，钴铬合金，钛，镍合金和钢。
适用材料：几乎任何合金

选择性激光熔融技术（SLM）
SLM技术由德国夫琅和费学院于1995年与当时的F&S Stereolithographietechnik公司合作研发并申请获得相关专利。2000年早期F&S与德国MCP HEK公司（后来称为MTT科技公司，又改为SLM Solutions公司）达成商业合作。如今，SLM技术的创始人Dieter Schwarze 博士在SLM Solutions公司，而Matthias Fockele博士则创立了Realizer公司。

SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。

SLM详细技术原理

3D Systems公司也出品了采用SLM技术的金属3D打印机：SPro125和250。3D Systems 公司称它们为直接金属选择性激光熔融（Direct Metal SLM）。它们能生产高精度，高复杂度的金属零件。打印层厚可达20微米，可打印的金属包括钛，不锈钢，钴铬合金，工具钢等，所以能够应用在航空领域（比如带冷却仓的超高效散热片的一体化打印），以及医疗保健领域（比如超复杂形状的金属下颚）等等。
适用材料：钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝

选择性热烧结成型技术（SHS）
Selective Sintering（选择性热烧结）技术始于3D印刷工场，这家创新的丹麦企业成立于2009年，旨在创造一种“办公室3D打印机”，实惠的价格和高质量的印刷。

他们的专利SHS（选择性热烧结）在2011年推出3D印刷技术在EUROMOLD。它类似于激光烧结，但是，而不是使用激光SHS使用的热打印头。被保持在升高的温度下，这样的机械扫描头只需要提升的温度稍高于粉末的熔融温度，以选择性地结合，粉末床。

它是如何工作的？首先它被切成层，使用另一种方案，在CAD软件设计的三维模型。当按下“打印”按钮，打印机蔓延在整个构建室一层薄薄的塑料粉末。感热式打印头开始来回移动，从打印头的热熔融到塑料粉末层中的每个横截面。再次三维打印机，塑料粉末，准备新的层，感热式打印头，继续加热到粉末层。最终的三维模型是在编译室 - 由未熔化粉末包围。未使用的粉是100％可回收，没有必要额外的支持材料。

随着选择性热烧结技术的3D打印机可以使任何复杂的几何形状（最小壁厚为1毫米）的形成。可以加载多个3D模型，并打印在同一时间。
适用材料：热塑性粉末

选择性激光烧结工艺（SLS）
选择性激光烧结工艺（Selective Laser Sintering，SLS），该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R.Dechard创立了DTM公司并于1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。

二十年多年来奥斯汀分校和DTM公司在SLS工艺领域投入了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上都取得了丰硕的成果。德国的EOS公司针对SLS工艺也进行了大量的研究工作并且已开发出一系列的工业级SLS快速成型设备，在2012年的欧洲模具展上EOS公司研发的3D打印设备大放异彩。

在国内也有许多科研单位开展了对SLS工艺的研究，如南京航空航天大学、中北大学、华中科技大学、武汉滨湖机电产业有限公司、北京隆源自动成型有限公司、湖南华曙高科等

SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型，如图所示为SLS的成型原理：

SLS详细技术原理

选择性激光烧结加工的过程先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。

当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。

在成型的过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构。SLS工艺使用的材料与SLA相比相对丰富些，主要有石蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷甚至还可以是金属。

当工件完全成型并完全冷却后，工作台将上升至原来的高度，此时需要把工件取出使用刷子或压缩空气把模型表层的粉末去掉。

SLS工艺支持多种材料，成型工件无需支撑结构，而且材料利用率较高。尽管这样SLS设备的价格和材料价格仍然十分昂贵，烧结前材料需要预热，烧结过程中材料会挥发出异味，设备工作环境要求相对苛刻。

适用材料：热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末

1. SLS工艺的发展历程

1986年美国Texas大学的研究生Deckard提出了选择性激光烧结成形(Selective Laser Sintering,SLS)的思想，并于1989获得了第一个SLS技术专利[3]。这是一种用红外激光作为热源来烧结粉末材料成形的快速成形技术(Rapid Prototyping, RP)。同其它快速成形技术一样，SLS技术采用离散/堆积成形的原理，借助于计算机辅助设计与制造，将固体粉末材料直接成形为三维实体零件，不受成形零件形状复杂程度的限制，不需任何工装模具。

1992年美国DTM公司推出Sinterstation 2000系列商品化SLS成形机，随后分别于1996年、1998年推出了经过改进的SLS成形机Sinterstation 2500和Sinterstation 2500plus，同时开发出多种烧结材料，可直接制造蜡模及塑料、陶瓷和金属零件。由于该技术在新产品的研制开发、模具制造、小批量产品的生产等方面均显示出广阔的应用前景，因此，SLS技术在十多年时间内得到迅速发展，现己成为技术最成熟、应用最广泛的快速成形技术之一。

世界上另一个在SLS技术方面占有重要地位的是德国的EOS公司。EOS公司成立于1989年，1994年EOS公司先后推出了三个系列的SLS成形机，其中EOSINT P用于烧结热塑性塑料粉末，制造塑料功能件及熔模铸造和真空铸造的原型;EOSINTM用于金属粉末的直接烧结，制造金属模具和金属零件;EOSINT S用于直接烧结树脂砂，制造复杂的铸造砂型和砂芯。 EOS公司对这些成形设备的硬件和软件进行了不断的改进和升级，使得设备的成形速度更快、成形精度更高、操作更方便，并能制造尺寸更大的烧结件。近年来EOS公司的发展势头强劲，其产品在美国市场上都占有了一定的份额[2]。

2. SLS工艺原理

首先，在计算机中建立所要制备试样的CAD模形，然后用分层软件对其进行处理得到每一加工层面的数据信息。成形时，设定好预热温度、激光功率、扫描速度、扫描路径、单层厚度等工艺条件，先在工作台上用辊筒铺一层粉末材料，由CO2激光器发出的激光束在计算机的控制下，根据几何形体各层横截面的CAD数据，有选择地对粉末层进行扫描，在激光照射的位置上，粉末材料被烧结在一起，未被激光照射的粉末仍呈松散状，作为成形件和下一层粉末的支撑;一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再进行下一层铺粉、烧结，新的一层和前一层自然地烧结在一起，全部烧结完成后除去未被烧结的多余粉末，便得到所要制备的试样[3]。

2.1. 选择性激光烧结的工艺特点

同其它快速成形技术相比，SLS具有以下特点[2-5]:

(1)可采用多种材料。从理论上讲，这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料，从高分子材料粉末到金属粉末、陶瓷粉末、石英砂粉都可用作烧结材料。

(2)制造工艺简单。由于未烧结的粉末可对模型的空腔和悬臂部分起支撑作用，不必像立体印刷成形(Stereo Lithography Apparatus, SLA)和熔融沉积成形(Fused Deposition Moldeling, FDM)工艺那样另外设计支撑结构，可以直接生产形状复杂的原形及部件。

(3)材料利用率高。未烧结的粉末可重复使用，无材料浪费，成本较低。

(4)成形精度依赖于所使用材料的种类、粒径、产品的几何形状及其复杂程度等，原形精度可达±1%。

(5)应用广泛。由于成形材料的多样化，可以选用不同的成形材料制作不同用途的烧结件，如制作用于结构验证和功能测试的塑料功能件、金属零件和模具、精密铸造用蜡模和砂型、砂芯等。

2.2 SLS技术分为两类：直接SLS技术与间接SLS技术。

(1)直接SLS技术: 即采用含有至少两种以上熔点成份的金属粉末(低熔点金属粉末作为粘结剂，高熔点金属粉末作为结构材料)，通过大功率激光器扫描熔化低熔点成份，在表面张力作用下润湿并填充未熔化高熔点结构金属粉末颗粒间隙，然后将结构材料粘结起来，烧结成致密金属零件或者模具的方法。直接SLS成形材料主要有:Ni-Sn, Fe-Sn, Cu-Sn, Fe-Cu与Ni-Cu等。

在国外，目前能够代表直接SLS技术先进水平的研究机构主要为德国EOS。该公司不仅研究出拥有知识产权的SLS系统，而且开发了SLS专用金属材料，并进行了相关金属零件或者模具的制造。在国内，代表直接SLS技术的研究机构主要为南京航空航天大学等机构。

(2)间接SLS技术: 即采用高分子聚合物材料作粘结剂(例如:PA, PC, PEP与PMMA等)，通过激光束扫描熔化高分子材料将高熔点结构粉末粘结起来形成SLS原型件的方法。目前间接SLS金属复合材料包括高分子聚合物覆膜金属材料与高分子聚合物/金属混合复合材料。

在国外，目前代表间接SLS技术先进水平的研究机构主要为美国3D System 公司。在国内，目前代表间接SLS技术先进水平的研究机构主要有华中科技大学与北京隆源公司等，另外，南京航空航天大学、华南理工大学、华北工学院、西北工业大学、湖南大学与中北大学等也对间接SLS技术开展了研究，内容主要集中在SLS系统、材料、成形工艺、温度场与应力场仿真等方面。

3. SLS工艺的原材料

烧结材料是SLS技术发展的关键环节，它对烧结件的成形速度和精度及其物理机械性能起着决定性作用，直接影响到烧结件的应用以及SLS技术与其他快速成形技术的竞争力。目前已开发出多种激光烧结材料，按材料性质可分为以下几类:金属基粉末材料、陶瓷基粉末材料、覆膜砂、高分子基粉末材料等[4-8]。

A 金属基粉末材料
金属基粉末材料主要有两大类，一类是用聚合物作粘结剂的金属粉末，包括用有机聚合物包覆金属粉末材料制得的覆膜金属粉末(如DTM公司的RapidSteel 2.0)及金属与有机聚合物的混合粉末。这类金属粉末在激光烧结过程中，金属颗粒被有机聚合物粘结在一起，形成零件初坯(Green Part)，初坯经过高温脱除有机聚合物、渗铜等后处理，可制得密实的金属零件和金属模具。另一类是不含有机粘合剂的金属粉末，这类金属粉末可用大功率的激光器直接烧结成致密度较高的功能性金属零件和模具。

B 陶瓷材料
陶瓷材料的烧结温度很高，难以直接用激光烧结成形，因此，用于sLs工艺的陶瓷基粉末材料是加有粘结剂的陶瓷粉。在激光烧结过程中，利用熔化的粘结剂将陶瓷粉末粘结在一起，形成一定的形状，然后再通过后处理以获得足够的强度。常用的粘结剂有以下三类:
①有机粘结剂，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），用PMMA包覆Al2O3, ZrO2, SiC等陶瓷粉末材料，经激光烧结成形后，再经过脱脂及高温烧结等后处理可以快捷地制造精密铸造用陶瓷型壳和工程陶瓷零件;
②无机粘结剂，如磷酸二氢氨，NH4HZPO4在烧结时熔化、分解、生成P2O5， P2O5继续与陶瓷基体Al2O3反应，最终生成AlPO4， AlPO4是一种无机粘结剂，可将陶瓷粉末粘结在一起;
③金属粘结剂，如铝粉，在烧结过程中铝粉熔化，熔化的铝可将Al2O3:粉末粘结在一起，同时还有一部分铝会在激光烧结过程中氧化，生成Al2O3，并释放出大量的热，促进Al2O3熔融、粘结。

C 覆膜砂
覆膜砂与铸造用热型砂类似，采用酚醛树脂等热固性树脂包覆错砂、石英砂的方法制得，如DTM公司的SandForm Zr。在激光烧结过程中，酚醛树脂受热产生软化和固化，使覆膜砂粘结成型。由于激光加热时间很短，酚醛树脂在短时间内不能完全固化，烧结件的强度较低，须对烧结件进行加热处理，处理后的烧结件可用作铸造用砂型或砂芯来制造金属铸件。

D 高分子材料
高分子材料与金属和陶瓷材料相比，具有较低的成形温度，烧结所需的激光功率小，且其表面能低，熔融粘度较高，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。主要的高分子材料有下面几种：

蜡粉
传统的熔模精铸用蜡(烷烃蜡、脂肪酸蜡等)，蜡模强度较低，难以满足精细、复杂结构铸件的要求，且成型精度差，所以DTM研制了低熔点高分子蜡的复合材料.

聚苯乙烯(PS)
聚苯乙烯受热后可熔化、粘结，冷却后可以固化成璎，而且该材料吸湿率小，收缩率也较小，其成型件浸树脂后可进一步提高强度，主要性能指标可达拉伸强度≥15MPa、弯曲强度≥33MPa、冲击强度>3MPa，可作为原型件或功能件使用，也可用做消失模铸造用母模生产金属铸件，但其缺点是必须采用高温燃烧法(>300℃)进行脱模处理，造成环境污染，因此，对于PS粉原料，针对铸造消失模的使用要求一般加入助分解助剂。如DTM公司的商业化产品TrueForm Polymer。其成型件可进行消失模制造，但其价格昂贵。

工程塑料(ABS)
ABS与聚苯乙烯同属热塑性材料，其烧结成型性能与聚苯乙烯相近，只是烧结温度高20℃左右，但ABS成型件强度较高，所以在国内外被广泛用于快速制造原型及功能件。

聚碳酸酯(PC)
对聚碳酸酯烧结成型的研究比较成熟，其成型件强度高、表面质量好，且脱模容易，主要用于制造熔模铸造航空、医疗、汽车工业的金属零件用的消失模以及制作各行业通用的塑料模。如DTM公司的DTM Polycarbanate。但聚碳酸酯价格比聚苯乙烯昂贵。国内北航对聚碳酸酯(PC)进行了研究，探讨其烧结工艺过程以提高成型件精度。

尼龙(PA)
尼龙材料用SLS方法可被制成功能零件，目前商业化广泛使用的有4种成分的材料。
1)标准的DTM尼龙(Standard Nylon)，能被用来制作具有良好耐热性能和耐蚀性的模型2)DTM精细尼龙(DuraForm GF)，不仅具有与DTM尼龙相同的性能，还提高了制件的尺寸精度、降低表面粗糙度，能制造微小特征，适合概念型和测试型制造，但价格高。
3)DTM医用级的精细尼龙(Fine Nylon Medical Grade)，能通过高温蒸压被蒸汽消毒5个循环；
4)原型复合材料(ProtoFormTM Composite)是DuraForm GF经玻璃强化的一种改性材料，与未被强化的DTM尼龙相比，它具有更好的加工性能，同时提高了耐热性和耐腐蚀性。
同时，EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料(PA3200GF，有点类似于DTM的DuraForm GF)，这种材料可以产生高精度和很好的表面光洁度。

4. SLS （粉末烧结技术）的优缺点

SLS技术的优点是：
(1)原材料种类多。只要粉末材料在加热时的粘度较低，就都可以作为SLS技术的原材料。SLS技术制造出的产品或者模型可以满足多种需求。和其他的技术比较，SLS技术可以制做金属原型或者模具，因此具有广阔的应用前景。
(2)工艺简单。由于该技术可以选用粉末材料作为原材料，通过激光烧结，能够快速生产出具有复杂结构的产品原型或者模具，因此在工业产品的设计中应用比较广泛。
(3)精度较高。精度受到粉末材料的种类、粉末颗粒的大小、模型的几何结构等影响。一般而言，其精度可以达到0.05mm-2.5mm之间。
(4)不需要支撑结构。在层层叠加的过程中，没有烧制的粉末可以支撑悬空层面。
(5)材料利用率高。SLS技术的材料机率用可以接近100%，这是因为其不需要支撑结构，也不需要基底支撑，而且粉末材料价格较低，所以制模成本低。
(6)变形小。SLS技术制作出的工件翘曲变形较小，甚至不需要校正原型。

SLS技术的缺点是：
(1)工作时间长。在加工之前，需要大约2小时，把粉末材料加热到粘结熔点的附近，在加工之后，需要大约5-10小时，等到工件冷却之后，才能从粉末缸里面取出原型制件。
(2)后处理较复杂。SLS技术原型制件在加工过程中，是通过加热并融化粉末材料，实现逐层的粘结，因此制件的表面呈现出颗粒状，需要进行一定的后处理。
(3)烧结过程会产生异味。高分子粉末材料在加热、融化等过程中，一般都会发出异味。
(4)设备价格较高。为了保障工艺过程的安全性，在加工室里面充满了氮气，所以提高了设备成本。

5. 具体实例应用
3D打印SLS工艺在汽车上的应用
第一个方面是用于设计验证、性能测试的手工样件（原型件）的制作。