選擇激光燒結材料研究進展

郭池++陳號

摘 要：快速成型技術是近年來逐漸流行的一種快速制造模型和樣件的工藝方法，本文對快速成型中的選擇性激光粉末燒結技術（SLS）進行了簡要介紹。主要內容包括：部件結構、工藝過程和工藝材料等，最后又對工藝材料的發展過程進行了整理與論述。

關鍵詞：快速成型技術；選擇性激光粉末燒結；整理與論述

1 快速成型技術簡介

快速成型技術（Rapid Prototyping，RP）是一種根據數字化模型快速制造模型和樣件的工藝方法，是一種將CAD技術、CAM技術、激光科學、材料科學等多學科技術深入結合綜合制造技術[1-4]。根據離散-堆積成型原理，首先將整體的零件進行數字化離散處理，之后通過逐層堆積的方式成型零件，實現了無模數字化加工，具有周期短、成本低的優勢。此項技術在新產品開發中具有廣闊的應用前景，近期特別是近五年此項技術被賦予了3D打印的新概念被大眾廣泛認知，被認為是工業4.0時代最具代表性的工藝方法。

快速成型技術包括立體光固化成型技術（SLA），熔融沉積成型技術（FDM）、分層實體制造（LOM），選擇性激光粉末燒結技術（SLS）等多種方法，其中選擇性激光粉末燒結技術具有成型材料應用廣泛、近凈成形、應用領域廣等優點收到了廣泛關注，也成為近幾年研究的熱點。

SLS技術是一種典型的快速成型方法，首先由CAD方法或CAM方法構造工件的原型，之后將其進行離散化處理，輸出為一種STL格式，STL文件是一種使用三角形表示三維模型的文件格式，是快速成型制造領域廣泛使用的一種文件格式。之后將其分割成層厚為0.05-0.7左右的截面傳輸給激光器控制器，激光器在計算機控制下對分割出的沒一個平面進行掃描，根據材料的不同選擇不同工藝方法對材料進行燒蝕熔融，最終形成完整的工件。

SLS設備主要的部件有激光器及光路系統、加工平臺、工作臺、升降缸和鋪粉裝置等。典型的雙缸SLS工藝過程為：粉末缸活塞（送粉活塞）上升，鋪粉輥在模型缸活塞（工作活塞）鋪粉，激光器工作選擇燒結固體粉末形成工作層面，粉末燒結完成后工作活塞下降，鋪粉系統鋪設新粉，如此為一個循環，逐層進行疊加得到三維零件。

在SLS的工藝過程中材料的選擇極為重要，材料的多樣性也是這種工藝方法得以廣泛被應用的一個關鍵因素，現有的SLS應用材料主要有聚合物、金屬粉末、陶瓷粉末、復合材料等。

2 聚合物成型材料

尼龍材料具有良好的機械力學性能，可以直接作為功能件使用，因此尼龍材料時最早用SLS方法的材料。DTM公司于1993年推出了其第一種用于SLS的尼龍材料，在這個基礎上由推出了纖細尼龍，以及DuraForm AP和DuraForm GF。這兩種材料的成型零件的表面質量極好，成型精度及表面特征細節都具有良好的表現。

1998年DTM公司開發了一種銅-尼龍復合材料，這種材料具有耐熱性可達道285℃，這種材料的主要用途是制造工模具，同時這種材料具有良好的機械性能，表面可進行表面打磨，同時可進行機械加工處理。這種材料的開發極大的縮短了注塑產品開發制造的周期。

德國的EOS公司開發一種PA 2200和PA 3200GF尼龍粉末。PA2200是一種良好的彈性體材料，其抗拉強度為45±3MPa，伸長率為20±5%，這種材料主要用于功能原型的制造。PA 3200GF的拉伸模量可達3200±3 MPa，抗拉強度為48±3MPa，最大伸長率為6±3%，彎曲模量可達2100±150MPa，用它制造的零件具有高精度、極好的表面質量和機械加工性能，主要用于制作殼體和熱應力零件。

Li Juan等人研究了碳納米管復合PA6尼龍材料，通過在PA6中添加一定量的多壁碳納米管能降低PA6的結晶度，碳納米管的加入能夠形成更多的晶核，使得PA6在非等溫結晶過程中降低結晶速率，同時降低形核率。崔意娟等人[5]嘗試制備了玻璃微珠復合尼龍粉末結合的復合材料，采用HLP-350I 點掃描激光燒結快速成型機進行工藝測試，通過添加玻璃微珠可以減小尼龍材料的收縮率，同時增加其機械強度，這種無機-有機復合材料時現代材料發展的趨勢。

3 金屬成型材料

Texas大學開發了一種金屬SLS材料，這種材料不添加聚合物粘結劑。其采用鎳粉為主材，同時添加銅粉作為合金添加成分以增強金屬材料燒結的結晶度。他們采用這種材料使用SLS工藝成功制造了F1戰斗機及AIM9型導彈的關鍵零件，具有廣闊的應用前景。這種使用激光直接對金屬粉末進行加工的SLS工藝目前多是使用多種金屬進行混合，一般情況下會有熔點較低的金屬粉末，在溫度較低的情況下即可融化，起到催化劑和粘結劑的作用，將未融化的金屬粉末粘結成型。這種方法的缺點在于成型零件機械強度較差。

4 總結

近十幾年來SLS 技術得到了快速發展，現階段主要限制SLS的廣泛推廣的瓶頸在于材料發展的之后，新材料的開發與性能提高是現階段亟待解決的問題，未來新材料的研究主要集中在一下以及各方面：新才來形成機制的研究；根據使用環境和要求不同新材料的開發，例如生物制造領域、生活材料等，材料燒結性能的提高，特別是成型精度的提高，這直接影響SLS成型產品的效率與質量。

參考文獻：

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

[2]張劍峰，張建華，趙劍峰等.激光快速成形制造技術的應用研究進展.航空制造技術，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]朱劍英.增材制造法-MIM技術.航空精密制造技術，1993（01）：29-32.

[5]崔意娟，白培剛，王建宏等，選擇性激光燒結復合尼龍粉末的制備及成型機理研究，硅酸鹽通報，2008（27）：86+89.

基金項目：應用基礎研究計劃-工業部分（SYG201220）科技基礎設施建設計劃-高技術研究重點實驗室（SZS201303）

作者簡介：郭池（1980-），男，新疆昌吉人，教師，研究方向：快速成型工藝。endprint