SLS 選擇性激光燒結：影響最深遠的3D列印技術

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SLS技術是高端製造領域普遍應用的技術。最初由美國德克薩斯大學的研究生C.R. Dechard提出，並於1989年研製成功。憑藉這一核心技術，他組建了DTM公司，之後一直成為SLS技術的主要領導企業，直到2001年被3D Systems公司完整收購。幾十年來，德克薩斯大學的DTM公司的科研人員在SLS領域做了大量的研究工作，並在設備研製、工藝和材料研發上取得了豐碩的成果。

國內方面，已有多家單位開展了對SLS的相關研究工作，如華中科技大學、南京航空航天大學、西北工業大學、以及北京和湖南的3D列印企業，取得了許多重大成果。今天就跟你分享3D列印領域中的SLS技術。

1 SLS原理

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering, SLS）技術由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard發明，主要是利用粉末材料在激光照射下高溫燒結的基本原理，通過計算機控制光源定位裝置實現精確定位，然後逐層燒結堆積成型。

SLS的工作過程與3DP相似，都是基於粉末床進行的，區別在於3DP是通過噴射粘結劑來粘結粉末，而SLS是利用紅外激光燒結粉末。先用鋪粉滾軸鋪一層粉末材料，通過列印設備里的恆溫設施將其加熱至恰好低於該粉末燒結點的某一溫度，接著激光束在粉層上照射，使被照射的粉末溫度升至熔化點之上，進行燒結並與下面已製作成形的部分實現黏結。當一個層面完成燒結之後，列印平台下降一個層厚的高度，鋪粉系統為列印平台鋪上新的粉末材料，然後控制激光束再次照射進行燒結，如此循環往複，層層疊加，直至完成整個三維物體的列印工作。

SLS激光燒結成型工藝原理圖（圖片來源：南極熊）

SLS工藝原理

激光燒結技術是成型原理最複雜，條件最高，設備及材料成本最高的3D列印技術之一，但也是目前對3D列印技術發展影響最為深遠的技術。從理論上來說，任何加熱後能夠形成原子間黏結的粉末材料都可以被用來作為SLS的成型材料，目前，已可成熟運用於SLS設備列印的材料主要有石蠟、尼龍、金屬、陶瓷粉末和它們的複合材料。

SLS列印內部演示

2 優勢&技術限制

SLS優勢：

1．可使用材料廣泛。可使用的材料包括尼龍、聚苯乙烯等聚合物，鐵、鈦、合金等金屬、陶瓷、覆膜砂等；

2．成型效率高。由於SLS技術並不完全熔化粉末，而僅是將其燒結，因此製造速度快；

3．材料利用率高。未燒結的材料可重複使用，材料浪費少，成本較低；

4．無需支撐。由於未燒結的粉末可以對模型的空腔和懸臂部分起支撐作用，不必像FDM和SLA工藝那樣另外設計支撐結構，可以直接生產形狀複雜的原型及部件；

5．應用面廣。由於成型材料的多樣化，可以選用不同的成型材料製作不同用途的燒結件，可用於製造原型設計模型、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等。

SLS技術限制：

1. 原材料價格及採購維護成本都較高。

2. 機械性能不足。SLS成型金屬零件的原理是低熔點粉末粘結高熔點粉末，導致製件的孔隙度高，機械性能差，特別是延伸率很低，很少能夠直接應用於金屬功能零件的製造。

3. 需要比較複雜的輔助工藝。由於SLS所用的材料差別較大，有時需要比較複雜的輔助工藝，如需要對原料進行長時間的預處理（加熱）、造成完成後需要進行成品表面的粉末清理等。

3 SLS的應用

金屬粉末的燒結

用於SLS燒結的金屬粉末主要有三種：單一金屬粉末、金屬混合粉、金屬粉加有機物粉末。相應地，SLS技術在成型金屬零件時，主要有三種方式：

a. 單一金屬粉末的燒結

例如鐵粉，先將鐵粉預熱到一定溫度，再用激光束掃描、燒結。燒結好的製件經熱等靜壓處理，可使最後零件的相對密度達到99．9%。

b. 金屬混合粉末的燒結

主要是兩種金屬的混合粉末，其中一種粉末具有較低的熔點．另一種粉末的熔點較高。例如青銅粉和鎳粉的混合粉。先將金屬混合粉末預熱到某—溫度．再用激光束進行掃描，使低熔點的金屬粉末熔化(如青銅粉)，從而將難熔的鎳粉粘結在一起。燒結好的製件再經液相燒結後處理，可使最後製件的相對密度達到82%。

c. 金屬粉末與有機黏合劑粉末的混合體

將金屬粉末與有機黏合劑粉末按一定比例均勻混合，激光束掃描後使有機黏合劑熔化，熔化的有機黏合劑將金屬粉末黏合在一起（如銅料和有機玻璃粉）。燒結好的製件再經高溫後續處理，一方面去除製件中的有機黏合劑，另一方面提高製件的力學強度和耐熱強度。

利用SLS技術列印的金屬物件（圖片來源：http://desingnswan.com）

利用SLS技術製成的金屬藝術品（圖片來源：南極熊）

目前，SLS發明人Dechard組建的美國DTM公司的產品中，已經商業化的金屬粉末產品有以下幾種：

1. RrapidSteel1.0，其材料成分為1080碳鋼金屬粉末和聚合物材料，聚合物均勻覆在粉粒的表面，成型坯的密度是鋼密度的55%，強度可達2.8 MPa，所滲金屬可以是純銅，也可以是青銅，這種材料主要用來製造注塑模。

2. RrapidSteel2.0，其燒結成型件完全密實，達到鋁合金的強度和硬度，能進行機加工、焊接、表面處理及熱處理，可作為塑料件的注塑成型模具，注塑模的壽命可達到10萬件/副，也可以用來製造用於Al、Mg、Zn等有色金屬零件的壓鑄模，壓鑄模的壽命能達到200～500件/副。

3. Copper Polyamide，基體材料為銅粉，黏結劑為聚醯胺（Polyamide），其特點是成型後不需二次燒結，成型件可用於常用塑料的注塑成型，壽命為100～400件/副。

此外，還有德國EOS推出的DirectSteel（混合油其他金屬粉末的鋼粉末）等材料。

陶瓷粉末的燒結

與金屬合成材料相比，陶瓷粉末材料有更高的硬度和更高的工作溫度，也可用於複製高溫模具。由於陶瓷粉末的熔點很高，所以在採用SLS工藝燒結陶瓷粉末時，需要在陶瓷粉末中加入低熔點的黏合劑。激光燒結時首先將黏合劑熔化，然後通過熔化的黏合劑將陶瓷粉末黏結起來成型，最後通過後處理來提高陶瓷零件的性能。

目前所用的純陶瓷粉末原料主要有和SiC，而粘結劑有無機粘結劑、有機粘結劑和金屬粘結劑三種。由於工藝過程中鋪粉層的原始密度低，因而製件密度也低，故多用於鑄造型殼的製造。

SLS激光燒結製成的陶瓷製件

利用SLS工藝製成的陶瓷製件（圖片來源：http://dentalcompare.com）

Shapeways公司利用SLS技術製成的陶瓷花瓶（圖片來源：Shapeways）

高分子材料的燒結

在高分子材料中，經常使用的材料包括聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯粉（PS）、ABS、尼龍（PA）、尼龍與玻璃纖維的混合物、蠟等。高分子材料具有較低的成形溫度，燒結所需的激光功率小，熔融黏度較高，沒有金屬粉末燒結時較難克服的「球化」效應，因此，高分子粉末是目前應用最多也是應用最成功的SLS材料。

尼龍材料因具有強度高、耐磨性好、易於加工等優點使其在SLS 3D列印領域得到了廣泛應用。同時，可以在尼龍材料中加入玻璃微珠、碳纖維等材料，從而提高尼龍的機械性能、耐磨性能、尺寸穩定性能和抗熱變形性能。

SLS激光燒結的尼龍工業製件（圖片來源：華曙高科）

DTM公司的DuraForm PA尼龍材料列印的工業製件（圖片來源：3D Systems）

DTM公司的CastForm（聚苯乙烯粉末）材料列印的工業製件（圖片來源：3D Systems）

目前，國外已商品化的SLS高分子粉末材料主要有：

1. DuraForm PA（尼龍粉末，美國DTM公司），其熱穩定性、化學穩定性優良。

2. DuraForm GF（添加玻璃珠的尼龍粉末，美國DTM公司），其熱穩定性、化學穩定性優良，尺寸精度高。

3. Polycarbonate（聚碳酸酯粉末，美國DTM公司），其熱穩定性良好，可用於精密鑄造。

4. CastForm（聚苯乙烯粉末，美國DTM公司），需要用鑄造蠟處理，以提高製件的強度和表面粗糙度，可用於失蠟製造工藝。

5. Somos 201（彈性體高分子粉末，DSM Somos公司），其類似橡膠產品，具有很高柔性。

具體而言，SLS的應用可大體歸納為六個方面

1. 快速原型製造。。SLS工藝能夠快速製造模型，從而縮短從設計到看到成品的時間，可以使客戶更加快速、直觀的看到最終產品的原型。

2. 新型材料的製備及研發。採用SLS工藝可以研製一些新興的粉末顆粒以加強複合材料的強度。

3. 小批量、特殊零件的製造加工。當遇到一些小批量、特殊零件的製造需求時，利用傳統方法製造往往成本較高，而利用SLS工藝可以快速有效的解決這個問題，從而降低成本。

4. 快速模具和工具製造。目前，隨著工藝水平的提高，SLS製造的部分零件可以直接作為模具使用。

5. 逆向工程。利用三維掃描工藝等技術，可以利用SLS工藝在沒有圖紙和CAD模型的條件下按照原有零件進行加工，根據最終零件構造成原型的CAD模型，從而實現逆向工程應用。

6. 在醫學上的應用。由於SLS工藝製造的零件具有一定的孔隙率，因此可以用於人工骨骼製造，已經有臨床研究證明，這種人工骨骼的生物相容性較好。

利用SLS工藝製成的組織工程骨支架材料（圖片來源：http://3dprint.com）

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