绝对干货 | 3D打印SLS技术详解

3D打印（3D Printing）技术（又名快速成型技术，PRM），是在计算机控制下，基于“增材制造”原理， 立体逐层堆积离散材料，进行零件原型或最终产品的成型与制造的技术。该技术以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，将3D实体变为若干个2D平面，利用激光束、电子束、热熔喷嘴等方式将粉末、热塑性材料等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品[1]。

直接金属激光烧结技术（DMLS）

通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件。这种零件制造工艺被称为“直接金属激光烧结技术（Direct Metal Laser-Sintering）”。

通过选用不同的烧结材料和调节工艺参数，可以生成性能差异变化很大的零件，从具有多孔性的透气钢，到耐腐蚀的不锈钢再到组织致密的模具钢。这种离散法制造技术甚至能够直接制造出非常复杂的零件，避免了采用铣削和放电加工，为设计提供了更大的自由度。

DMLS详细技术原理

早些年只有相对软的材料适用这种技术，而随着技术的不断进步，适用领域也扩展到了塑料、金属压铸和冲压等各种量产模具。应用这项技术的优点不仅是周期短，而且使模具设计师能够把心思集中在如何建构最佳的几何造型，而不用考虑加工的可行性上。结合CAD和CAE技术可以制造出任意冷却水路的模具结构。

DMLS是金属粉体成型，有同轴送粉和辊筒送粉两类。同轴送粉的技术适合制造分层厚度在1mm以上物件，大型的金属件，目前我国最大的工件居然是核电部件，在四川制造。一些航空部件西工和北理工开始产业化了。辊筒送粉的产品精细度高，适合制造小型部件，因为制造过程部件很容易热变形。制造空间超过电脑机箱大小都是很困难的。以上几类3D打印其实都是对应了材料的热曲线，需要材料配合，以金属粉体为例，既涉及到粉体粒径形貌又涉及到粒径搭配，还需要热处理使得马氏体和奥氏体之间结构转化。

DMLS技术由德国EOS公司开发，与SLS和SLM技术原理非常类似 。EOS公司出品的EOSINT M 系列机型也非常类似3D Systems 公司的 sPro 系列机型。M系列能打印铝，钴铬合金，钛，镍合金和钢。

适用材料：几乎任何合金

选择性激光熔融技术（SLM）

SLM技术由德国夫琅和费学院于1995年与当时的F&S Stereolithographietechnik公司合作研发并申请获得相关专利。2000年早期F&S与德国MCP HEK公司（后来称为MTT科技公司，又改为SLM Solutions公司）达成商业合作。如今，SLM技术的创始人Dieter Schwarze 博士在SLM Solutions公司，而Matthias Fockele博士则创立了Realizer公司。

SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。

SLM详细技术原理

3D Systems公司也出品了采用SLM技术的金属3D打印机：SPro125和250。3D Systems 公司称它们为直接金属选择性激光熔融（Direct Metal SLM）。它们能生产高精度，高复杂度的金属零件。打印层厚可达20微米，可打印的金属包括钛，不锈钢，钴铬合金，工具钢等，所以能够应用在航空领域（比如带冷却仓的超高效散热片的一体化打印），以及医疗保健领域（比如超复杂形状的金属下颚）等等。

适用材料：钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝

选择性热烧结成型技术（SHS）

Selective Sintering（选择性热烧结）技术始于3D印刷工场，这家创新的丹麦企业成立于2009年，旨在创造一种“办公室3D打印机”，实惠的价格和高质量的印刷。

他们的专利SHS（选择性热烧结）在2011年推出3D印刷技术在EUROMOLD。它类似于激光烧结，但是，而不是使用激光SHS使用的热打印头。被保持在升高的温度下，这样的机械扫描头只需要提升的温度稍高于粉末的熔融温度，以选择性地结合，粉末床。

它是如何工作的？首先它被切成层，使用另一种方案，在CAD软件设计的三维模型。当按下“打印”按钮，打印机蔓延在整个构建室一层薄薄的塑料粉末。感热式打印头开始来回移动，从打印头的热熔融到塑料粉末层中的每个横截面。再次三维打印机，塑料粉末，准备新的层，感热式打印头，继续加热到粉末层。最终的三维模型是在编译室 - 由未熔化粉末包围。未使用的粉是100％可回收，没有必要额外的支持材料。

随着选择性热烧结技术的3D打印机可以使任何复杂的几何形状（最小壁厚为1毫米）的形成。可以加载多个3D模型，并打印在同一时间。

适用材料：热塑性粉末

选择性激光烧结工艺（SLS）

选择性激光烧结工艺（Selective Laser Sintering，SLS），该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R.Dechard创立了DTM公司并于1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。

二十年多年来奥斯汀分校和DTM公司在SLS工艺领域投入了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上都取得了丰硕的成果。德国的EOS公司针对SLS工艺也进行了大量的研究工作并且已开发出一系列的工业级SLS快速成型设备，在2012年的欧洲模具展上EOS公司研发的3D打印设备大放异彩。

在国内也有许多科研单位开展了对SLS工艺的研究，如南京航空航天大学、中北大学、华中科技大学、武汉滨湖机电产业有限公司、北京隆源自动成型有限公司、湖南华曙高科等

SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型，如图所示为SLS的成型原理：

SLS详细技术原理

选择性激光烧结加工的过程先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。

当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。

在成型的过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构。SLS工艺使用的材料与SLA相比相对丰富些，主要有石蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷甚至还可以是金属。

当工件完全成型并完全冷却后，工作台将上升至原来的高度，此时需要把工件取出使用刷子或压缩空气把模型表层的粉末去掉。

SLS工艺支持多种材料，成型工件无需支撑结构，而且材料利用率较高。尽管这样SLS设备的价格和材料价格仍然十分昂贵，烧结前材料需要预热，烧结过程中材料会挥发出异味，设备工作环境要求相对苛刻。

适用材料：热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末

SLS技术工艺详解

1. SLS工艺的发展历程

1986年美国Texas大学的研究生Deckard提出了选择性激光烧结成形(Selective Laser Sintering,SLS)的思想，并于1989获得了第一个SLS技术专利[3]。这是一种用红外激光作为热源来烧结粉末材料成形的快速成形技术(Rapid Prototyping,  RP)。同其它快速成形技术一样，SLS技术采用离散/堆积成形的原理，借助于计算机辅助设计与制造，将固体粉末材料直接成形为三维实体零件，不受成形零件形状复杂程度的限制，不需任何工装模具。

世界上另一个在SLS技术方面占有重要地位的是德国的EOS公司。EOS公司成立于1989年，1994年EOS公司先后推出了三个系列的SLS成形机，其中EOSINT P用于烧结热塑性塑料粉末，制造塑料功能件及熔模铸造和真空铸造的原型;EOSINTM用于金属粉末的直接烧结，制造金属模具和金属零件;EOSINT S用于直接烧结树脂砂，制造复杂的铸造砂型和砂芯。 EOS公司对这些成形设备的硬件和软件进行了不断的改进和升级，使得设备的成形速度更快、成形精度更高、操作更方便，并能制造尺寸更大的烧结件。近年来EOS公司的发展势头强劲，其产品在美国市场上都占有了一定的份额[2]。

2. SLS工艺原理

首先，在计算机中建立所要制备试样的CAD模形，然后用分层软件对其进行处理得到每一加工层面的数据信息。成形时，设定好预热温度、激光功率、扫描速度、扫描路径、单层厚度等工艺条件，先在工作台上用辊筒铺一层粉末材料，由CO2激光器发出的激光束在计算机的控制下，根据几何形体各层横截面的CAD数据，有选择地对粉末层进行扫描，在激光照射的位置上，粉末材料被烧结在一起，未被激光照射的粉末仍呈松散状，作为成形件和下一层粉末的支撑;一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再进行下一层铺粉、烧结，新的一层和前一层自然地烧结在一起，全部烧结完成后除去未被烧结的多余粉末，便得到所要制备的试样