选择性激光烧结的研究进展

冯淑莹 张慧梅

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心材料工程发明审查部，广东 广州 510000)

选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)技术的概念是在1986年被美国Texas大学的研究生Deckard提出来的，他在1989年获得了第一个SLS技术专利，随后成立了DTM公司。

SLS打印技术是增材制造(或称3D打印)技术的一种，它采用CO2激光器作为能量源，通过选择性地熔化高分子粉末材料来制作三维实体零件。SLS技术具有成形材料多样化(高分子材料、陶瓷、金属、覆膜砂及其复合粉末等均可作为成形材料)、用途广泛、成形过程简单、材料利用率高等优点，是最具发展前景的3D打印技术之一[1]。

1 技术原理[2]

选择性激光烧结技术的基本原理可以概述为：首先，CAD模型需要在计算机程序中利用分层软件逐层切割以获得每层的加工数据信息。在选择性激光烧结成形时，工艺条件如预热温度、激光功率、扫描速度、扫描路径、分层厚度等应根据制件要求进行调节，工作室中的预热温度升高到预定值并保持其不变；送料筒上升，铺粉滚筒移动，在平台上铺一层粉末，由精密导轨、伺服控制系统控制激光束对粉末进行扫描烧结，形成一层实体轮廓。第一层烧结完成，工作台下降一个分层厚度，由铺粉滚筒再铺上一层粉末进行下一层烧结，循环往复、层层叠加而形成三维的实体。

2 技术发展情况分析

史玉升等[2]提出选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)是基于粉末床的激光 3D 打印技术。材料对成形件的精度和物理机械性能起着决定性作用，其中高分子基粉末是应用最早，也是目前应用最多、最成功的 SLS 材料，但是 SLS 高分子仍存在可用种类少和成形件性能较低等难题。通过添加微/纳米填料或者后处理浸渗等方法制备复合材料，来提高 SLS 成形件的某些性能以及增加 SLS 材料种类，已经成为 SLS 领域材料研究的热点和重点。

王联凤等[3]通过粉末床铺设置尼龙微粉，进行选择性激光烧结(SLS)，制备了尼龙6(PA6)拉伸试样。分析了所制备样品在三维方向上的拉伸性能，研究了拉伸断口的微观形态。结果表明，所制备的样品致密无孔隙。激光扫描方向和面堆积方向的拉伸强度分别为42.7 MPa和42.5 MPa，高于体堆积方向的拉伸强度39.3 MPa；激光扫描方向和 面 堆 积 方 向 的 断 裂 伸 长 率 约 为 体堆积方向的两倍。断口分析显示，拉伸断口由裂纹萌生区和裂纹扩展区组成，裂纹起源于未熔融 PA 颗粒与熔融粘结PA的界面。

何敏等[4]简述了选择性激光烧结技术(SLS)和熔化技术(SLM)的成型原理及其在生物医学领域的应用，重点介绍了SLS 在医学模型、植入体和赝复体、组织工程支架及药物传送装置等方面的应用，并对 SLS 和 SLM 技术的研究与发展方向进行展望。

专利文献CN 209886683 U提出一种SLS金属粉末3D打印机，包括激光烧结柜、控制柜，所述的激光烧结柜中设置有烧结室、设置在烧结室上方的激光器、位于激光器和烧结室之间的振镜以及设置在烧结室下方的送料机构，所述的控制柜中设置有工控电脑、电机控制器、激光扫描控制器、激光电源及冷却水泵，所述的送料机构连接电机控制器，所述的振镜连接所述的激光扫描控制器，所述的工控电脑连接所述的激光器及激光扫描控制器，所述的激光电源为激光器提供电源，所述的冷却水泵为激光器提供冷却。该实用新型3D打印机具有结构结构稳定，激光烧结成型精度高，满足连续成型工作。

专利文献CN 209886682 U提出一种SLS金属粉末3D打印机的送料机构，包括机构支架、送粉机构及烧结机构；所述的送粉机构及烧结机构均安装在机构支架上；所述的机构支架包括上撑板、下撑板以及连接上撑板和下撑板的若干立柱；所述的送粉机构包括安装在机构支架的上撑板上的送粉缸、设置在送粉缸内部的送粉活塞、与送粉活塞连接的送粉活塞连杆、设置在机构支架的下撑板上的送粉电机、与送粉电机相连的送粉丝杆、与送粉丝杆螺纹连接的送粉滑块、连接送粉滑块与送粉活塞连杆的送粉滑杆。该实用新型3D打印机的送料机构，采用相互独立的升降结构，具有结构简单，送料精度高及稳定的优点。

专利文献CN 109158596 A提出了一种SLS金属3D打印平台自动调平装置。现有SLS金属3D打印机在使用前需要通过手工调平，不仅浪费大量时间，还无法保证调平的精度。该发明包括水平位移机构、竖直位移激光测距机构和微位移驱动机构。水平位移机构包括横移驱动电机、底座、转轴、支撑轴、凸轮组、动力杆组、滑块和横移滑轨。竖直位移激光测距机构包括壳体、冲杆、翻转驱动电机、螺旋轴、激光测距仪和翻转组件。微位移驱动机构包括支撑块和三个压电陶瓷促动器。该发明能够检测SLS金属3D打印机内成型平台的水平度，并将SLS金属3D打印机调节至水平状态。本发明中的竖直位移激光测距机构能够精密测距，翻转结构能使仪器不受工作环境(金属粉尘)的影响。能够检测SLS金属3D打印机内成型平台的水平度，并将SLS金属3D打印机调节至水平状态。

专利文献CN 208277439 U提出了一种SLS快速成型双辊铺粉装置，包括支撑框体，安装支架上分别安装有料斗电机和转轴，料斗电机的电机轴与转轴相连，转轴上安装有链轮，链轮上安装有链条，链条上安装有料斗，铺粉辊电机的电机轴通过传送带分别与第一铺粉辊和第二铺粉辊相连，第一铺粉辊和第二铺粉辊之间的铺粉辊支架上安装有引粉刀；支撑框体内侧底壁上开设有铺粉口，铺粉口上方的支撑框体内侧底壁上安装有加热装置；铺粉口下方安装有成型装置，成型装置上端可嵌入铺粉口铺粉；料斗与加粉装置相连。该实用新型所述一种SLS快速成型双辊铺粉装置，其在移动过程中实现双向铺粉功能，并且采用移动料斗与铺粉辊相结合的装置，更好得实现压实粉末层，打印效果更佳。

3 结语

SLS 技术集成了计算机技术、数控技术、激光技术和材料技术等多种技术及工艺，与其他制造技术相比具有适用性广、工艺简单、成形精度高、可直接烧结零件等特点，被誉为“第三次工业革命”的关键技术。目前，选择性激光烧结技术已经解决了传统加工方法中的许多难题，并在汽车、造船、医疗、航空等领域得到了广泛地应用，对人们的生活生产方式产生了深远影响[5]。

随着对 SLS 成型工艺、设备、材料等方面研发的投入，SLS技术必将在各个领域发挥更加重要的作用。