选择激光烧结材料研究进展

郭池++陈号

摘 要：快速成型技术是近年来逐渐流行的一种快速制造模型和样件的工艺方法，本文对快速成型中的选择性激光粉末烧结技术（SLS）进行了简要介绍。主要内容包括：部件结构、工艺过程和工艺材料等，最后又对工艺材料的发展过程进行了整理与论述。

关键词：快速成型技术；选择性激光粉末烧结；整理与论述

1 快速成型技术简介

快速成型技术（Rapid Prototyping，RP）是一种根据数字化模型快速制造模型和样件的工艺方法，是一种将CAD技术、CAM技术、激光科学、材料科学等多学科技术深入结合综合制造技术[1-4]。根据离散-堆积成型原理，首先将整体的零件进行数字化离散处理，之后通过逐层堆积的方式成型零件，实现了无模数字化加工，具有周期短、成本低的优势。此项技术在新产品开发中具有广阔的应用前景，近期特别是近五年此项技术被赋予了3D打印的新概念被大众广泛认知，被认为是工业4.0时代最具代表性的工艺方法。

快速成型技术包括立体光固化成型技术（SLA），熔融沉积成型技术（FDM）、分层实体制造（LOM），选择性激光粉末烧结技术（SLS）等多种方法，其中选择性激光粉末烧结技术具有成型材料应用广泛、近净成形、应用领域广等优点收到了广泛关注，也成为近几年研究的热点。

SLS技术是一种典型的快速成型方法，首先由CAD方法或CAM方法构造工件的原型，之后将其进行离散化处理，输出为一种STL格式，STL文件是一种使用三角形表示三维模型的文件格式，是快速成型制造领域广泛使用的一种文件格式。之后将其分割成层厚为0.05-0.7左右的截面传输给激光器控制器，激光器在计算机控制下对分割出的没一个平面进行扫描，根据材料的不同选择不同工艺方法对材料进行烧蚀熔融，最终形成完整的工件。

SLS设备主要的部件有激光器及光路系统、加工平台、工作台、升降缸和铺粉装置等。典型的双缸SLS工艺过程为：粉末缸活塞（送粉活塞）上升，铺粉辊在模型缸活塞（工作活塞）铺粉，激光器工作选择烧结固体粉末形成工作层面，粉末烧结完成后工作活塞下降，铺粉系统铺设新粉，如此为一个循环，逐层进行叠加得到三维零件。

在SLS的工艺过程中材料的选择极为重要，材料的多样性也是这种工艺方法得以广泛被应用的一个关键因素，现有的SLS应用材料主要有聚合物、金属粉末、陶瓷粉末、复合材料等。

2 聚合物成型材料

尼龙材料具有良好的机械力学性能，可以直接作为功能件使用，因此尼龙材料时最早用SLS方法的材料。DTM公司于1993年推出了其第一种用于SLS的尼龙材料，在这个基础上由推出了纤细尼龙，以及DuraForm AP和DuraForm GF。这两种材料的成型零件的表面质量极好，成型精度及表面特征细节都具有良好的表现。

1998年DTM公司开发了一种铜-尼龙复合材料，这种材料具有耐热性可达道285℃，这种材料的主要用途是制造工模具，同时这种材料具有良好的机械性能，表面可进行表面打磨，同时可进行机械加工处理。这种材料的开发极大的缩短了注塑产品开发制造的周期。

德国的EOS公司开发一种PA 2200和PA 3200GF尼龙粉末。PA2200是一种良好的弹性体材料，其抗拉强度为45±3MPa，伸长率为20±5%，这种材料主要用于功能原型的制造。PA 3200GF的拉伸模量可达3200±3 MPa，抗拉强度为48±3MPa，最大伸长率为6±3%，弯曲模量可达2100±150MPa，用它制造的零件具有高精度、极好的表面质量和机械加工性能，主要用于制作壳体和热应力零件。

Li Juan等人研究了碳纳米管复合PA6尼龙材料，通过在PA6中添加一定量的多壁碳纳米管能降低PA6的结晶度，碳纳米管的加入能够形成更多的晶核，使得PA6在非等温结晶过程中降低结晶速率，同时降低形核率。崔意娟等人[5]尝试制备了玻璃微珠复合尼龙粉末结合的复合材料，采用HLP-350I 点扫描激光烧结快速成型机进行工艺测试，通过添加玻璃微珠可以减小尼龙材料的收缩率，同时增加其机械强度，这种无机-有机复合材料时现代材料发展的趋势。

3 金属成型材料

Texas大学开发了一种金属SLS材料，这种材料不添加聚合物粘结剂。其采用镍粉为主材，同时添加铜粉作为合金添加成分以增强金属材料烧结的结晶度。他们采用这种材料使用SLS工艺成功制造了F1战斗机及AIM9型导弹的关键零件，具有广阔的应用前景。这种使用激光直接对金属粉末进行加工的SLS工艺目前多是使用多种金属进行混合，一般情况下会有熔点较低的金属粉末，在温度较低的情况下即可融化，起到催化剂和粘结剂的作用，将未融化的金属粉末粘结成型。这种方法的缺点在于成型零件机械强度较差。

4 总结

近十几年来SLS 技术得到了快速发展，现阶段主要限制SLS的广泛推广的瓶颈在于材料发展的之后，新材料的开发与性能提高是现阶段亟待解决的问题，未来新材料的研究主要集中在一下以及各方面：新才来形成机制的研究；根据使用环境和要求不同新材料的开发，例如生物制造领域、生活材料等，材料烧结性能的提高，特别是成型精度的提高，这直接影响SLS成型产品的效率与质量。

参考文献：

[1]Chua Chee Kai，Leong Kah Fai.Rapid prototyping in Singapore：1988 to 1997.Rapid Prototyping Journal，1997，3（03）：116-119.

[2]张剑峰，张建华，赵剑峰等.激光快速成形制造技术的应用研究进展.航空制造技术，2002（07）：34-37.

[3]Knuth J P.Material increase manufacturing by rapid prototyping technique.Annals of the CIPP，1999，40（02）：603-604.

[4]朱剑英.增材制造法-MIM技术.航空精密制造技术，1993（01）：29-32.

[5]崔意娟，白培刚，王建宏等，选择性激光烧结复合尼龙粉末的制备及成型机理研究，硅酸盐通报，2008（27）：86+89.

基金项目：应用基础研究计划-工业部分（SYG201220）科技基础设施建设计划-高技术研究重点实验室（SZS201303）

作者简介：郭池（1980-），男，新疆昌吉人，教师，研究方向：快速成型工艺。endprint