SLS成型技術工藝原理及應用

孔祥忠

（湖南理工學院機械工程學院，湖南 岳陽 414000）

0 引言

選擇性激光燒結快速成形（Selective Laser Sintering Rapid Prototyping，SLS）技術材料選擇廣泛，正在迅速發(fā)展，并得到了越來越多的關注[1]。SLS 技術與其他快速成型的制作過程相同，都采用離散堆疊成型原理，使用Nd：YAG 激光發(fā)射器作為光源，利用切片中的二維信息，通過計算機來控制激光束，調整合適的激光密度，全部燒結后，除去多余的粉末，進行一系列研磨處理后得到零件。該技術將CAD 技術、數(shù)字控制加工、激光和材料技術相結合，縮短了產品設計制造周期，降低了開發(fā)成本，提高了產品競爭力。由于SLS 工藝具有許多優(yōu)點，例如粉末材料選擇廣泛，其制造工藝相對簡單，具有無支撐結構以及零件直接燒結等特點，因此其發(fā)展最為迅速，已成為最成功和商業(yè)化的快速成型方法之一[2-3]。

1 SLS 技術原理

1.1 SLS 技術的成形工藝原理

圖1 是SLS 技術制造工藝的原理。首先，建立CAD 模型，并轉化為STL 格式，利用分層軟件對CAD 模型進行切片，獲得各加工層的數(shù)據(jù)信息，在計算機的控制下，根據(jù)層面信息調整激光束進行掃描，使粉末燒結固化，重復該過程，直到得到三維實體[4]。

圖1 SLS 技術的成形工藝原理

1.2 SLS 快速成形技術工藝流程

SLS 快速成形技術工藝，具體流程如圖2 所示。

1.2.1建立CAD 模型

采用Pro/E，UG 等三維CAD 軟件建立3D 實體模型，并以STL 格式輸出。

圖2 SLS 快速成形工藝流程圖

1.2.2 分層處理

目前，SLS 所支持的文件格式為STL，采用分層軟件在Z方向進行分層處理，得到分層截面，并將該層面信息轉化為激光掃描時的軌跡。

1.2.3 燒結成形

掃描之前，先將成型缸下降一定厚度，然后使供粉缸升高一定的高度，鋪粉輥從左邊壓到成型缸上。激光掃描第1 層橫截面及輪廓信息，激光掃描的粉末會在高溫下迅速熔化并相互黏接；燒結完第一層后，鋪粉，進行第2 層激光掃描，如此重復直到燒結完成。

1.2.4 后處理

零件燒結完成后，升起成型缸，取出零件，然后用氣槍對零件表面殘余的白色粉末部分進行清潔。通常，激光燒結的零件強度相對較低，且零件多孔，應根據(jù)需要進行熱激光固化和滲蠟等后處理。

2 金屬材料SLS 成型技術分析

2.1 金屬材料SLS 成型技術

目前，金屬粉末SLS 成型的主要方法有間接和直接2種。

2.1.1 間接法成形工藝

2.1.1.1 間接法使用的粉末材料

金屬粉末與有機黏合劑的混合方法有以下2 種：1） 金屬材料包裹在覆有有機材料的金屬粉末上。制作該粉末材料的過程雖然復雜，但是該材料具有較好的燒結性能和更高比例的有機材料。2）金屬與有機材料混合的粉末雖然較容易得到，但燒結性能差。

2.1.1.2 間接法成形工藝

SLS 間接法成型工藝分為3 個階段：SLS 的原型制造，粉末燒結制件的生產以及金屬后處理。

2.1.1.2.1 燒結工藝

SLS 成型零件的質量與成型參數(shù)有關。SLS 成型參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、掃描距離、層厚和光斑大小等。如果能量密度過低，金屬顆粒之間的結合強度就會很低。為了使模塑零件能夠維持其形狀，掃描距離和厚度必須考慮成型效率以及強度和密度，使用較大的掃描間距和層厚會對成型效率有利。

2.1.1.2.2 后處理工藝

形成的坯件需要進行后處理才能成為高密度金屬功能部件。后處理通常包括3 個步驟：1）降解聚合物。加熱能夠除去連接金屬顆粒的聚合物。2）二次燒結。在第1步后，金屬粉末顆粒之間的聚合物幾乎被完全清除。為了能夠保持其穩(wěn)定形態(tài)，需要建立金屬粉末顆粒之間的離子連接，這需要將坯料加熱到較高溫度。3）滲金屬。二次燒結后，成型件多孔、強度較低，使用滲金屬的方法進行后處理。低熔點的金屬在熔化過程中，由于毛細、重力等作用，模塊內的孔都被密度較高的金屬填充

2.1.2 直接法

2.1.2.1 直接法使用的粉末材料

2.1.2.1.1 單組分金屬粉末

單組分燒結，特別是對于難熔金屬，需要非常強大的激光才能在相對較短的時間內達到熔化溫度。在燒結過程中，激光在很短的時間內（通常為0.5 ms～25 ms），連續(xù)照射金屬粉末顆粒，粉末顆粒的熔化和固化立即完成。在這樣短的熱循環(huán)中，黏性流或粒子熔化可以使金屬粉末顆?？焖俳Y合，但是難以獲得致密的零件。

2.1.2.1.2 多組分金屬粉末混合體系

多組分金屬粉末混合的形成機制一般遵循傳統(tǒng)液相燒結的機制。液相燒結明顯提高了原子擴散的速度，引起了物質運動，加快了燒結過程，填充了固體顆粒的孔，從而獲得致密性更好的燒結零件。

2.1.2.1.3 預合金粉末

單組分的預合金粉末：預合金粉粒的預熱黏結也可以通過液相熱燒結完成。其中燒結溫度控制在液相燒結線和固定液相線溫度之間，稱為超固相線液相燒結。

2.1.2.2 直接法成形工藝

2.1.2.2.1 燒結工藝

SLS 直接金屬激光燒結（Direct Metal Laser Sintering，DMIS）與間接法不同，用于DLS 成型的金屬粉末不包括有機黏合劑。DMIS 成型工藝使用高能激光器直接燒結金屬粉末以獲得金屬零件。目前由于材料和工藝因素的限制，DMIS成型得到的金屬件的強度和密度的變化較大。對于低密度燒結件，需要通過后處理提高強度來滿足使用要求。

2.1.2.2.2 后處理工藝

燒結部分有許多孔，并且力學性能差。因此，必須進行后處理以增加密度和強度。

滲金屬是具有低熔點的金屬熔融并滲透到燒結體的孔中以形成致密的金屬部件，從而進一步提高了燒結件的強度。

2.1.3 金屬粉末SLS 存在的問題

SLS 工藝參數(shù)包括材料的物理性能、激光燒結工藝參數(shù)，這些參數(shù)對燒結工藝的成型、精度和質量有較大影響，引起這些問題的主要因素包括3 點：1） 粉末材料特性。粉末粒徑、密度對成型零件的精度、粗糙性具有較大的影響。粉末膨脹及顆粒凝固機制直接影響燒結過程，大大增加了燒結孔的數(shù)量，降低了成型零件的抗拉強度。2） 工藝參數(shù)。激光功率、光斑直徑、掃描速度、掃描方式、燒結時間以及層厚等多種因素對燒結件的收縮翹曲變形有影響。3） 后處理。雖然金屬零件可以采用SLS 直接法制造，但是零件的機械和熱性能與使用要求不符，后處理會對其有很大的改善，但對尺寸的精度影響很大。

2.2 SLS 成型精度影響因素

SLS 技術成型精度的影響因素很多，主要包括掃描方式、掃描速度、激光功率、單層厚度、掃描距離和粉末顆粒等。

2.2.1 激光功率

隨著激光功率的增加，尺寸誤差增加，零件強度也增加；如果激光功率過高，則由于熔融收縮而導致的零件的翹曲和變形將加劇。

2.2.2 掃描速度

掃描速度快，尺寸誤差小，并且燒結零件的強度降低。

2.2.3 燒結間距

隨著燒結間距的加大，尺寸誤差下降，燒結件強度下降，成型效率提高。

2.2.4 單層層厚

單層厚度增加，尺寸誤差減小，燒結件強度降低，成型效率提高?？紤]到上述因素，需要綜合選擇適當?shù)臒Y激光功率，掃描速度，燒結間距和單層厚度。通常，在保證零件正常制作的基礎上，應該選擇盡可能大的工藝參數(shù)以提高加工效率[5]。

3 SLS 成型技術的應用

目前，SLS 成型技術的應用主要包括以下3 個方面。

3.1 復雜金屬零件的快速無模具鑄造

SLS 激光高速成型與精密鑄造技術相結合，特別適用于復雜的金屬制造，生產成本可大幅降低。SLS 原型的快速無模具鑄造產品，如圖3 所示。

3.2 在醫(yī)學方面的應用

心血管的三維結構，如圖4 所示；心腦血管的SLS 模型，如圖5 所示。

圖3 SLS 原型快速無模具鑄造產品

圖4 心血管三維結構

圖5 心血管SLS 模型

3.3 生物工程領域—PCL 多孔支架制作

PCL 是生物可溶性聚合物，具有修復軟骨的作用。SLS技術可輕松實現(xiàn)具有各種內部結構和空隙的PCL 支架。使用UG3D 建模軟件設計的多孔支架STL 模型，如圖6（a）所示；用PCL 粉末制作的SLS 的模型，如圖6（b）所示。

圖6 PCL 多孔支架的制造

4 結語

雖然SLS 工藝發(fā)展迅速并取得了不錯的成果，但是由于SLS 制作的零件精度和表面粗糙度不能滿足生產要求、工藝參數(shù)對零件精度有很大的影響，因此，當前的研究應該集中在以下3 個方面：1） 新型材料的研究。目前使用SLS 技術制造的零件強度低、精度低，需要后處理，急需開發(fā)新型材料。2） SLS 工藝參數(shù)優(yōu)化研究。工藝參數(shù)與成型質量之間的關系是我國SLS 技術研究中的熱點。3） SLS 仿真研究。由于燒結過程相當復雜，因此實時觀測是很困難的。在燒結過程中，需要用計算機仿真來加強對燒結過程的理解以及指導工藝參數(shù)的選擇。

SIS 技術的發(fā)展對設備、新技術和新材料的研究、開發(fā)和應用有積極的影響，大大促進了制造業(yè)的環(huán)境保護往高效和節(jié)能的方向發(fā)展。