選擇性激光燒結技術在機械制造領域中的應用

陳 旭

（北京市科學技術研究院，北京 100089）

3D打印無需傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序即可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)“自由制造”[1]。3D 打印技術正在快速改變傳統(tǒng)的生產方式和生活方式，作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)，全世界各個國家均高度重視并積極推廣該技術。

3D打印的方法主要包括選擇性激光燒結（SLS）法、熔融沉積成型（FDM）法、立體光固化成型（SLA）法、分層實體造型（LOM）法、電子束熔覆（3DP）法[2]和金屬液滴3D打印（metal droplet 3D printing）法[3-5]。其中，選擇性激光燒結法是3D打印中比較成熟的一種工藝方法。

近年來，隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，選擇性激光燒結技術在航空航天、生物醫(yī)療、建筑裝飾等領域率先獲得應用并得到迅速發(fā)展，但針對該技術在機械制造領域中的應用研究相對較晚[6]。基于此，本文首先介紹了選擇性激光燒結技術的加工原理，然后闡述了選擇性激光燒結技術在機械制造領域中的應用研究進展，最后對選擇性激光燒結技術的未來發(fā)展進行展望。本文研究內容對了解選擇性激光燒結技術在機械制造領域中的應用研究現(xiàn)狀具有一定的參考價值。

1 選擇性激光燒結技術的加工原理

選擇性激光燒結技術的加工原理是在激光束的照射下將粉末材料（金屬粉末材料或非金屬粉末材料或復合材料）進行燒結，然后利用計算機軟件按照預先設定好的程序完成零/部件的堆積成型。選擇性激光燒結技術的加工原理圖如圖1所示。

圖 1 選擇性激光燒結技術的加工原理圖[7]

2 選擇性激光燒結技術在機械制造領域中的應用研究進展

本文主要從金屬材料、非金屬材料兩方面闡述選擇性激光燒結技術在機械制造領域中的應用研究進展情況。

2.1 金屬材料選擇性激光燒結技術的研究進展

選擇性激光燒結技術最先應用于金屬材料的加工制造中，且取得了很好的效果。任乃飛等人[8]對金屬粉末選擇性激光燒結技術進行了研究，提出了間接法和直接法兩種典型的金屬粉末激光燒結成形方法，可以很大程度上縮短產品開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本。史玉升等人[9]將真空壓差鑄造工藝和選擇性激光燒結技術相結合，成功制造出復雜、薄壁金屬零件，其工藝原理圖如圖2所示，該方法可以為降低熔失模的鑄造誤差提供較好的解決方案。

圖 2 選擇性激光燒結金屬零件快速鑄造工藝原理圖[9]

任繼文等人[10-11]研究了工藝參數(shù)對316不銹鋼粉末選擇性激光燒結溫度場的影響，并提出了選擇性激光燒結技術的有限元算法，其流程圖如圖3所示，為下一步實驗選取合理的工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

圖 3 選擇性激光燒結技術的有限元算法流程圖[11]

周建等人[12]利用選擇性激光燒結技術將316L不銹鋼粉末加工成圓薄片，其利用有限元分析軟件ANSYS 在激光功率為 10 W、掃描速度為 2 000 mm/s、預熱溫度為 100 ℃的工藝參數(shù)條件下，成功將316L不銹鋼粉末成型為滿足使用性能要求的圓薄片，為選擇性激光燒結技術成型金屬制件過程中的工藝參數(shù)選擇奠定基礎。牛愛軍等人[13]研究了基于選區(qū)激光燒結技術的金屬粉末成型工藝，通過調節(jié)工藝參數(shù)制備出所需性能的仿生多孔金屬材料零件，為更好地提高制件的燒結性能提供依據(jù)。周萬琳等人[14]利用選擇性激光燒結技術成功制備出一種Ti6Al4V鈦合金種植體，該種植體的外形結構完整、螺紋清晰、無明顯結構缺損、表面精度高，為后續(xù)的臨床實驗提供技術支撐。胡小萍等人[15]研究了基于選擇性激光燒結技術的鋁合金表面激光雕刻工藝，加工制造出立體感強、圖案逼真、裝飾效果優(yōu)的鋁合金型材產品，但激光制造成本高的問題還有待進一步解決。季業(yè)益等人[16]利用選擇性激光燒結技術對304L不銹鋼粉末進行加工試驗研究，得到的試件硬度、抗拉強度等力學性能均滿足要求，為進一步提高零/部件的成形質量以實現(xiàn)零件的精密成形提供有效參考。宋彬等人[17]將選擇性激光燒結技術、鑄造工藝設計和模擬優(yōu)化技術，以及熔模精密鑄造技術相融合，成功制備出汽車雙金屬發(fā)動機缸體，如圖4所示，有效地解決了汽車雙金屬發(fā)動機缸體生產周期長、模具成本高、質量不合格等問題。

2.2 非金屬材料選擇性激光燒結技術的研究進展

選擇性激光燒結技術在非金屬材料及復合材料的加工制造中有著廣泛的應用。荊奕菲等人[18]研究了基于選擇性激光燒結技術的球形石墨碎片成形工藝，利用選擇性激光燒結技術通過選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)組合（激光功率為21 W、掃描速度為2 400 mm/s、掃描間距為0.10 mm、分層厚度為0.21 mm），快速制備出復雜石墨原型件，為非金屬制件成型過程中的工藝參數(shù)選擇提供參考。師平等人[19]對選擇性激光燒結成型尼龍6的拉伸性能進行研究，得到了成型工藝參數(shù)對尼龍6成型件拉伸性能的影響規(guī)律：在體堆積方向上激光功率對選擇性激光燒結成型尼龍6的拉伸力學性能影響程度最大，掃描速度和分層厚度次之，預熱溫度最小。司亮等人[20]研究了選擇性激光燒結與注塑成型尼龍 6制件的性能，研究結果表明：選擇性激光燒結成型制件比注塑成型制件的致密度小、抗拉強度高，但其斷裂伸長率和斷裂能低、表面粗糙度大。師平、司亮等人所得研究結果為應用選擇性激光燒結技術成型尼龍6制件的最優(yōu)工藝參數(shù)組合的確定提供依據(jù)。王凡[21]利用選擇性激光燒結技術對聚苯乙烯基復合材料進行了加工實驗研究，結果表明，基于選擇性激光燒結技術的聚苯乙烯基復合材料成型精度高、鑄件質量優(yōu)，為聚苯乙烯基復合材料的快速熔模鑄造奠定理論基礎。晏夢雪等人[22]利用選擇性激光燒結技術成功制備出輕質復合材料飛行器儀器支架，如圖5所示。并對其性能進行綜合評估，研究結果表明：利用選擇性激光燒結技術制備的復合材料飛行器儀器支架滿足力學性能、熱性能及動態(tài)熱力學性能的各項要求，且支架減重約40%，滿足了目前飛行器儀器支架對輕量化、快速開發(fā)及結構優(yōu)化的要求。徐翔民等人[23]研究了選擇性激光燒結Al2O3/PA12復合材料的力學性能和熱性能，結果表明復合材料的拉伸強度和缺口沖擊強度隨著Al2O3含量的增加逐漸降低；而復合材料的熱穩(wěn)定性不受Al2O3含量變化的影響，研究結果為更好地利用選擇性激光燒結技術制備出Al2O3/PA12復合材料構件奠定了基礎。

圖 4 利用選擇性激光燒結制備的雙金屬發(fā)動機缸體[17]

圖 5 制備的輕質復合材料飛行器儀器支架[22]

3 選擇性激光燒結技術的優(yōu)勢與不足

選擇性激光燒結技術的優(yōu)勢[24-26]主要有以下幾點：

（1）可以制造出高強度、材料性能優(yōu)異的零/部件，加工傳統(tǒng)方法難以制造的大型復雜結構零/部件時，無需多到加工工序，可直接獲得最終產品。

（2）零/部件成型過程中無需設計和構造支撐部件。

（3）可以大幅減少零/部件的加工制造時間、降低制造成本、且對環(huán)境造成的污染較小。

但選擇性激光燒結技術也存在諸多缺點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[27-29]：

（1）零/部件打印過程中需要確保溫度恒定，打印前需預熱，打印后需冷卻。

（2）在打印全封閉的零/部件時需要預留孔洞，便于去除粉材。

（3）選擇性激光燒結過程能耗高，能量利用率低，且對實驗室的環(huán)境有較高要求。

（4）零/部件成型過程中會出現(xiàn)層變形、微結構聚集、 “球化”效應等現(xiàn)象，影響表面粗糙度，從而降低零/部件的打印精度。

針對目前選擇性激光燒結技術在機械制造領域應用中存在的不足之處，筆者認為，未來選擇性激光燒結技術的研究方向應集中在以下幾個方面：

（1）對打印過程中的溫度進行實時控制，增加溫度傳感器及相應控制算法或控制系統(tǒng)，并通過人機交互界面實現(xiàn)對打印過程中溫度的實時調節(jié)，確保打印過程中溫度恒定。

（2）對全封閉零/部件的內部結構進行拆解分析，然后利用三維建模軟件對其進行精準建模，并通過激光逐層精確打印，實現(xiàn)封閉零/部件內部結構的一次成型，避免預留孔洞，以提高全封閉零/部件的成型速度及成型質量。

（3）在其他參數(shù)保持不變的條件下，重點研究激光速度、激光功率、粉末大小和粉末溫度等對選擇性激光燒結成型過程的影響規(guī)律，以解決選擇性激光燒結過程能耗高、能量利用率低的問題。

（4）在激光能量密度低的情況下會出現(xiàn)“球化”現(xiàn)象，導致成型制件相對密度較低。針對此問題，需要研究改善現(xiàn)有快速成型工藝與設備，研討不同工藝參數(shù)下的制件成型質量，通過單因素試驗和多因素正交試驗確定最優(yōu)參數(shù)組合，兼顧考慮制件的成型表面粗糙度、力學性能、熱性能等指標，必要時需對制件進行后處理操作，以改善制件的成型質量及使用性能。

4 結語

本文介紹了選擇性激光燒結技術的成型工藝原理，從金屬材料、非金屬材料兩方面闡述了選擇性激光燒結技術在機械制造領域中的應用研究進展，分析了目前選擇性激光燒結技術的優(yōu)勢與不足，對相關專業(yè)技術人員了解選擇性激光燒結技術在機械制造領域中的應用研究現(xiàn)狀具有一定的參考價值。

作為近年來一種新興的制造技術，選擇性激光燒結技術較傳統(tǒng)加工方法有著不可替代的優(yōu)越性，但還有很多方面需要完善，比如成型制件的表面質量、力學性能和熱性能等。相信隨著科技的不斷進步與快速發(fā)展，一定會取得更多的技術突破，進而使選擇性激光燒結技術應用到更多領域，為制造業(yè)的發(fā)展提供巨大的動力。