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浅谈3D打印技术之选择性激光烧结技术的原理特点和应用学院：电子工程学院专业班级：姓名：学号：摘要：3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注，在详细介绍3D打印技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造和快速制造等优点的基础上，具体给出了光固化成形、材料喷射、粘结剂喷射、熔融沉积制造、选择性激光烧结、片层压和定向能量沉积这七类3D打印工艺。【1】本文主要涉及3D打印技术的选择性激光烧结技术这一方面，并就这一出发点来讨论选择性激光烧结技术在工业、医用、民用品等领域的加工，介绍了选择性激光烧结技术的原理、特点及其研究发展状况,简述了选择性激光烧结金属粉末的典型成型工艺,并简要分析讨论了选择性激光烧结技术成型金属零件所存在的一些问题。最后,总结了选择性激光烧结技术的应用和发展前景。关键词：3D打印、选择性激光烧结技术、生物医用、烧结高分子材料、陶瓷成型、创新技术Abstract:3Dprintingtechnologyisoneofthethirdindustrialrevolution;ithasbeenincreainglybecomepopularintheindustrialsectorsandinvestorcommunity.Onthebasisofintroductiontheadvantagesof3Dprintingtechnology,e.g.,digitalmanufacturing,dimensionreductionmanufacturing,additivemanufacturing,directmanufacturingandrapidmanufaturing,seventypesof3Dprintingprocesses,i.e,stereolithigraphyapparatus,polyjet,threedimensionalprintingandgluing,fuseddepositionmodeling,selectinglasersintering,laminatedobjectmanufacturingandlaserengineeringnetshapearegiven.Thispapermainlyrelatestothe3Dprintingtechnologyofselectivelasersinteringtechnologyasonehand,andthisisjustastartingpointtodiscusstheselectivelasersinteringtechnologyappliedinthefieldofindustrial,medicalandcivilianproductsprocessing.Andthepassageintroducestheprinciple,characteristicsandresearchdevelopmentsituationofselectivelasersinteringtechnology,expoundingthetypicalofselectivelasersinteringofmetalpowderformingtechnology,anddiscusssomeproblemsoftheformingmetalpartsofselectivelasersinteringtechnology.Finally,theapplicationofselectivelasersinteringtechnologyissummarizedandthedevelopmentprospectithasbeenshown.Keywords:3Dprintingtechnology、electivelasersinteringtechnology、biologicandbiomedicalapplication、Sinteringpolymermaterials、ceramicforming、innovativetechnology1.绪论：21世纪90年代开始，随着世界经济竞争的日益激烈化和全球化，产品制造商们越来越需要以最短的时间制造出符合人们消费需求的新产品来抢占市场，21世纪80年代末出现的快速成型（RP）就是在这样的背景下提出并逐步得以发展的技术是一种逐层零件制造工艺，它突破传统的材料变形成型和去除材料成型的工艺方法，使用近乎全自动化的工艺从文件直接生产所需要的模型或模具，可以显著减少产品原型的开发时间和成本，极大的提高产品的质量；另外，RP制造过程中不需要任何传统意义上的工装夹具、刀具或模具即可制造出任何复杂形状的零部件。因此，这项技术在现代制造业中越来越具有竞争力，有望成为21世纪的的主流制造技术。由于SLS（激光烧结成型）工艺具有粉末选材广泛、适用性广、制造工艺比较简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结零件等诸多优点，成为当前发展最快、最为成功的且已经商业化的RP方法之一，在现代制造业得到越来越广泛的重视。2.选择性激光烧结技术及其特点1.1选择性激光烧结技术选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。与其它RP方法相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前,可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。1.2选择性激光烧结技术特点SLS技术的特点归纳起来主要有以下几点:①过程与零件复杂程度无关,是真正的自由制造,这是传统方法无法比拟的。SLS与其它RP不同,不需要预先制作支架,未烧结的松散粉末作了自然支架。SLS可以成型几乎任意几何形状的零件,对具有复杂内部结构的零件特别有效。②产品的单价几乎与批量无关,特别适合于新产品的开发或单件、小批量零件的生产。③生产周期短,从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时,整个生产过程数字化,可随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于新产品的开发。④与传统工艺方法相结合,可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件输出等功能,为传统制造方法注入新的活力。⑤材料范围宽,任何受热粘结的粉末材料都有被用作SLS原材料的可能性。材料无浪费,未烧结的粉末可重复使用。⑥应用面广。由于成型材料的多样化,使得SLS适合于多种应用领域,如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。【3】3.选择性激光烧结技术的材料在发展选择性激光烧结这类3D打印技术产业化的进程中，制造设备和材料基础研究是两大关键技术选择性激光烧结对原材料要求较为苛刻，材料需要以粉末状提供；烧结过程中，材料在快速融化和凝固等物态变化之后，仍须具有良好的物理和化学性质，可应用于选择性激光烧结成型的材料不仅种类少、成本昂贵，而且加工工艺也比较复杂，因而难以实现产业化。常用于选择性激光烧结研究的材料，有金属材料、陶瓷材料、聚合物材料以及它们之间的合材料，下面主要说明高分子复合材料与松木粉/聚醚砜树脂复合材料的制备方法。3.1高分子复合材料目前,常用于制备SLS复合材料的制备方法主要有4种，包括机械混合法、覆膜法、双螺杆挤出粉碎法以及后处理浸渗法,下面将分别进行论述。3.1.1机械混合法SLS用无机填料填充尼龙复合粉末的制备方法主要为机械混合法；其基本工艺过程为:将高分子粉末与各种填料粉末在三维运动混合机、高速捏合机或其他混合设备中进行机械混合.机械混合方法工艺简单、对设备要求低,然而当填料粉末的粒径非常小(如粉末粒径小于10µm)时,或者当填料(如金属粉末)的比重比高分子大得多时,机械混合法很难将无机填料颗粒均匀地分散在高分子基体中,而且在运输及SLS铺粉过程中粉末颗粒容易产生偏聚现象,使得SLS成形件中存在非均匀分布的填料颗粒团聚体,反而会造成成形件的性能下降.3.1.2覆膜法覆膜法采用某种工艺将高分子包覆在填料颗粒的外表面,形成高分子覆膜的复合粉末.在覆膜复合粉末中,填料和高分子基体混合比较均匀,而且在运输和铺粉过程中也不会产生偏聚现象.高分子覆膜金属或陶瓷复合粉末广泛用于间接法SLS制备金属或陶瓷零件。其制备工艺多为喷雾干燥法制备,所用的聚合物为乳液状的PMMA及其衍生物.另一种覆膜工艺为溶剂沉淀法.该法是在制备尼龙粉末的同时,将填料颗粒也加入反应容器中,这样在尼龙溶解和结晶过程中,将尼龙均匀包裹在填料颗粒表面,形成覆膜粉末。3.1.3双螺杆挤出粉碎法该方法是先将各种助剂与高分子材料经过双螺杆挤出机共混挤出造粒,制得粒料,再经低温粉碎制得粉料,这种方法制备的粉末材料分散均匀性好,但是由于粉末是通过深冷粉末制备的,因此形状极其不规则,不利于铺粉和成形件精度的提高。3.1.4后处理浸渗法高分子尤其是非结晶性高分子的SLS成形件中存在一定孔隙,造成其力学性能较低.因此,后处理浸渗法在SLS初始形坯中渗入另外一种材料,形成复合材料,固化后成形件致密度和力学性能得到提高。【4】3.2松木粉/聚醚砜树脂复合材料的制备与实验松木粉来源广泛且价格低廉;聚醚砜树脂作为木塑复合材料的黏结剂，具有机械强度高、尺寸稳定性好以及优良的成型加工性能等特点。可以利用下面的实验制备松木粉复合粉末，并用于选择性激光烧结;制备工艺简单，复合粉末易获得。3.2.1实验材料设备和方法将干燥好的松木粉和密封存储的PES粉末，按照表1的3种配比方案进行混粉;分别在手动机械冷混后，放入高速混合机中。先低速间歇混合10min，然后高速混合1min;温度控制在55°以下，防止温度高时，材料发生黏结现象。最后，将3种不同质量比的复合粉末分别放入隔潮袋子中。3.2.2烧结试验为了确定松木粉PES复合粉末，用于选择性激光烧结是否具有可行性;在正式烧结试件前，需先进行4-5层简单的激光烧结实验，遴选松木粉PES复合材料可成型的工艺参数以及适宜的预热温度。HRPS-ⅢA型激光粉末烧结快速成型机(华中科技大学;武汉滨湖机电有限公司)的光斑直径为(2.2--2.6)mm，扫描方式采用分组变向。经过反复试验确定，该复合粉末可用于选择性激光烧结工艺，适宜的预热温度为70-80℃。实验1——分别对松木粉质量比为20%、25%、30%的木塑复合材料进行激光烧结。根据以往经验和初步试验，采用的工艺参数为:预热温度72℃，激光功率7.7W,扫描速率1900mm/s，烧结间距0.15mm，单层厚度0.15mm。实验2——根据能量密度公式，可将扫描速率设置为2000mm/s，烧结间距0.15mm，单层厚度0.1mm;激光功率分别设置为3.85/5.50/6.05/7.70/8.80/9.35/9.90W。即，分别采用0.128、0.183、0.202/0.257/0.312/0.33J/立方米的能量密度进行烧结实验，工作台预热温度控制在72℃左右。3.2.3力学性能测试实验1结果表明:3种比例的复合粉末，均可在SLS试验中成型，当松木粉质量比增大时，烧结试件密度降低。随着松木粉质量比的增加，烧结试件的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度均降低(见表2)，即力学性能减弱。实验2结果表明:当能量密度小于0.128J/立方米时，松木粉复合材料无法熔融成型或者烧结试件松散易分层。随着能量密度的增加，力学性能逐渐增强，当能量密度达到0.312J/立方米时，力学性能最强;大于此能量密度时，复合粉末发生过烧现象，降低了烧结试件的力学性能。烧结件的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度，随能量密度变化的趋势如图3。3.2.4实验结论松木粉/聚醚砜树脂，可作为激光烧结成型的一种新型木塑复合材料，其成本低、耗能低、易于制备及成型。随着松木粉质量比的增加，粉末颗粒的流动性降低，烧结试件的力学性能下降。松木粉与聚醚砜树脂的质量比为1:4时，平均最大拉伸强度能达到4.85MPa、弯曲强度达到8.22MPa、冲击强度为1.26MPa。