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综述SLS工艺
【摘要】：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的工艺过程、应用、发展和研究现况。最后 ,总结了选择性激光烧结技术的发展前景
【关键词】：快速成形 选择性激光烧结 烧结粉末
1.SLS简介
20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。20世纪80年代末出现的快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)就是在这样的背景下提出并逐步得以发展的。RP技术是一种逐层零件制造上艺，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CAD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。RP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。
目前典型的快速成型的方法有：光固化立体造型SLA(StereoLithography Apparatus)、分层物件制作LOM(Laminated Object Manufacturing)、选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)和熔融沉积造型FDM(Fused Deposition Modeling)等。各种RP方法具有其自身的特点和适用范围。
由于SLS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。主要综述SLS技术的工艺原理、实际应用、发展历程和现状。
2.SLS工艺的基本原理
SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。选择性激光烧结加工过程是采用铺粉棍将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必像SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构。SLS使用的激光器是二氧化碳激光器，使用的原料有蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、金属，以及一些发展中的材料等。
当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末快速上升至初始位置，将其取出，放置在后处理工作台上，用刷子刷去表面粉末，露出加工件，其余残留的粉末可用压缩空气去除。3.SLS工艺的特点
选择性激光烧结工艺和其他快速成型工艺相比，其最大的独特性就是能够直接制作金属制品，同时该工艺还具有如下一些优点：可采用多种材料。从原理上来说，这种方法可采用加热时年度降低的任何粉末材料，通过材料或者各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。制造工艺比较简单。由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同，可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，该工艺一般能达到工件整体范围内±（0.05--2.5）mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达±1%。无需支撑结构。和LOM工艺一样，SLS工艺也无需设计支撑结构，叠层过程中出现的悬空层面可直接由未烧结的粉末来实现支撑。材料利用率高。由于该工艺过程不需要支撑结构，也不像LOM工艺那样出现许多废料，也不需要制作基底支撑，所以该工艺方法在常见的几种快速成型工艺中，材料利用率是最高的，可以认为是100%。SLS工艺中使用的多数粉末的价格较便宜，所以SLS模型的成本相比较来看也是较低的。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。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。应用面广。由于成型材料的多样化，使得SLS工艺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。
但是，选择性激光烧结工艺的缺点也比较突出，具体如下：表面粗糙。由于SLS工艺的原料是粉末状的，原型的建造是由材料粉层经加热熔化而实现逐层粘结的，因此，严格的来说，原型的表面是粉粒状的，因而表面质量不高。烧结过程中挥发异味。SLS工艺中的粉末粘结是需要激光能源使其加热而达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结熔化时一般要会发异味气体。有时需要比较复杂的辅助工艺。SLS技术视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程，例如给原材料进行长时间的预先加热、造型完成后需要给模型进行表面浮粉的清理等。做小件或者精件时，精度不如SLA。
4.SLS工艺过程
材料不同，具体的烧结工艺也有所不同。
1）高分子粉末材料烧结工艺
其过程分为前处理、粉层烧结叠加以及后处理三个阶段。
前处理：此阶段主要完成模型的三维CAD造型，并经STL数据转换后输入到粉末激光烧结快速成型系统中。
粉层激光烧结叠加：在这个阶段，设备根据原型的结构特点，在设定的建造参数下，自动完成原型的逐层粉末烧结叠加过程。当所有叠层自动烧结叠加完成后，需要将原型在成型缸中缓慢冷却至40℃以下，取出原型并进行后处理。
后处理：激光烧结后的PS原型件强度很弱需要根据使用要求进行渗蜡或渗树脂等补强处理。
2）金属零件间接烧结工艺
该工艺的过程主要分为三个阶段：SLS原型件（绿件）的制作、粉末烧结件（褐件）的制作、金属熔渗后处理。
SLS原型件的制作阶段过程为CAD模型——分层切片——激光烧结（SLS）——RP原型（绿件），此阶段的关键在于，如何选用合理的粉末配比和加工工艺参数实现原型件的制作。
“褐件”制作阶段过程为二次烧结（800℃）——三次烧结（1080℃），此阶段的关键在于，烧失原型件中的有机杂质获得具有相对准确形状和强度的金属结构体。
金属熔渗阶段过程为二次烧结（800℃）——三次烧结（1080℃）——金属熔渗——金属件此阶段的关键在于，选用合适的熔渗材料及工艺，以获得较致密的金属零件。
3）金属零件直接烧结工艺
基于SLS工艺的金属零件直接制造工艺流程为：CAD模型——分层切片——激光烧结（SLS）——RP原型零件——金属件。
5.影响SLS工艺成型精度的因素
影响SLS成型精度的因素很多，例如SLS设备精度误差、CAD模型切片误差、扫描方式、粉末颗粒、环境温度、激光功率、扫描速度、扫描间距、单层层厚等。
烧结工艺参数对精度和强度的影响是很大的。激光和烧结工艺参数，如激光功率、扫描速度和方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层与层之间的粘结、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂都会产生影响。
1）激光功率：随着激光功率的增加，尺寸误差正方向增大，并且厚度方向的增大趋势要比宽度方向的尺寸误差大。
2）扫描速度：当扫描速度增大时，尺寸误差向负向误差方向减小，强度减小。
3）烧结间距：随着扫描间距的增大，尺寸误差向负差方向减小。
4）单层厚度：随着单层厚度的增加，强度减小，尺寸误差向复查方向减小。
此外，预热是SLS工艺中的一个重要环节，没有预热或者预热温度不均匀，将会使成型时间增加，所成型零件的性能低和质量差，零件精度差，或使烧结过程完全不能进行。对粉末材料进行预热，可减小因烧结成型时受热在工件内部产生的热应力，防止其产生翘曲和变形，提高成型精度。
6.SLS工艺所选用的材料和设备
1）SLS工艺所选用的材料
成型材料是SLS技术发展和烧结成功的一个关键环节，它直接影响成型件的成型速度、精度和物理、化学性能，影响成型工艺和设备的选择及成型件的综合性能。因此，国内外有许多公司和研究单位加强了这一领域的研究工作，并且取得了重大进步。选择性激光烧结工艺材料适用面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。用于SLS工艺的材料有各类粉末，包括金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末，如尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸酯粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉（成型后常需进行再烧结及渗铜处理）、覆裹热凝树脂的细砂、覆蜡陶瓷粉和覆蜡金属粉等，SLS工艺采用的粉末粒度一般在50--125um之间。间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：一种是粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定的比例机械混合；另一种则是吧金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，之躯具有粘结剂包裹的金属或陶瓷粉末。为了提高原型的强度，用于SLS工艺的材料正渐渐地转向金属和陶瓷。
2）SLS工艺设备
研究选择性激光烧结设备工艺的单位有美国的DTM公司、3D Systems公司、德国的EOS公司，以及国内的华中科技大学、北京隆源公司和中北大学等。美国的DTM公司与1992年推出了SLS成型机械，并在之后几年的时间里先后推出了Sinterstation 2000、2500和2500Plus机型。其中2500Plus机型的成型体积比过去增加了10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速度。此外，国内华中科技大学也成功推出自己的SLS工艺设备HRPS-ⅢA激光粉末烧结系统。南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-1型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型的商品化设备。
7.SLS工艺的应用
几十年来，SLS工艺已经成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业，为许多传统制造业注入了新的生命力和创造力。
　　1)快速原型制造。SLS工艺可快速制造所没计零件的原形，并对产品及时进行评价、修正以提高设计质量；可使客户获得直观的零件模型；能制造教学、试验用复杂模型。
　　(2)新型材料的制备及研发。利用SLS工艺可以开发一些新型的颗粒以增强复合材料和硬质合金。
　　(3)小批量、特殊零件的制造加工。在制造业领域，经常遇到小批最及特殊零件的生产。这类零件加工周期长，成本高，对于某些形状复杂零件，甚至无法制造。采用SLS技术可经济地实现小批量和形状复杂零件的制造。
　　(4)快速模具和工具制造。SLS制造的零件可直接作为模具使用，如熔模铸造、砂型铸造、注甥模型、高精度形状复杂的金属模型等；也町以将成形件经后处理后作为功能零件使用。
　　(5)在逆向工程上的应用。SLS工艺可以在没有设计图纸或者图纸不完全以及没有CAD模型的情况下，按照现有的零件原型，利用各种数字技术和CAD技术重新构造出原型CAD模犁。
　　(6)在医学上的应用。SLS工艺烧结的零件由于具有很高的孔隙率，可用于人工骨的制造。根据国外对于用SLS技术制备的人工骨进行的临床研究表明，人工骨的生物相容性良好。
8.SLS技术的发展与研究现状
　　8.1 SLS技术的国外发展概况
SLS技术起源于美国德克萨斯大学澳斯汀分校(University of Texas at Austin)。1986年，该校学者Carl Deckard在其硕士论文中首次提出了SLS工艺原理，于1988年研制成功了第一台SLS成形机。随后，由美国的DTM公司将其商业化，于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterStation 2000成形机。在过去的20多年里，SLS技术在各个领域得到广泛的应用，各国研究人员对SLS技术从基本形成原理、加工工艺、新材料、精度控制、数值仿真等方面进行了广泛而深入的研究，有力地推动了SLS工艺的发展。
由于SLS工艺可以直接制造金属零件，近年来受到各国高校以及R&D机构的普遍最视。
　　近年来，美国的Texas大学Austin学院自由成形实验室对SLS技术和后处理工艺长期进行研究，其钢铁及合金粉末材料的烧结件的致密度达到80％以上，并进一步研究了SLS金属热渗透、热等静压等后处理工艺。Michigan大学的学者们主要从事用SLS技术制作医用人工骨骼材料研究。
　　比利时的J．P．Kruth教授等学者对SIS的烧结机理进行了深入研究，并对SLS工艺进行了分类，对认识烧结理论起了重要作用。
　　白俄罗斯国家科学院的学者对单一和二元金属粉末(Ni—cu、Fe—cu等合金)的SLS进行了细致研究，提出了烧结过程中的“球化效应”(Bailing)是影响烧结质量和精度的最关键问题，并对球化效应的产生原理和控制方法进行了研究。
　　英国Liverpool大学快速原型中心的学者K．K．B．Hon对SiC和聚合物混合粉末进行了SLS试验，研究了各种工艺参数(激光功率、扫描速度、间距、层厚等)对烧结件机械性能的影响。Louthborough大学的学者使用脉冲Nd：YAG激光器烧结工具钢粉末，主要研究了扫描方式和烧结线问距对烧结性能的影响。
　　日本Osaka大学的学者主要从事金属SLS过程的有限元仿真工作，从而推断出烧结试样成形时最可能发生断裂的地方，该校的学者们还对烧结过程中残余应力的产生和消除办法进行了研究。
　　此外，除了上述国家外，瑞士、俄罗斯、德国、韩国、南非、意大利、伊朗等国也相继展开了对SLS工艺的温度场的演化规律及其建模与仿真、“球化效应”、粉末材料对性能的影响等方面的研究。
　　8.2 SLS技术的国内发展概况
　　在我国，RP研究工作起步于20世纪90年代，主要以跟踪研究为主，技术和设备以引进为主。引进RP设备，虽然加快了企业新产品的研发，取得了巨大经济效益，但其设备、配套设备及成形材料均需引进且价格昂贵，使生产成本过高，企业难以承担。为了解决矛盾，掌握自主知识产权，在国家和企业的大力资助下，国内各高校及科研院所逐步展开了RP技术的研究，并取得了骄人的成绩。
　　目前，我国从事SLS／SLM／DMLS技术研究的主要机构有：华中科技大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、华北工学院、大连理工大学、西南交通大学、中北大学等高校和研究机构。

华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室黄树槐教授及其课题组成员长期对SLS设备、材料、工艺以及烧结理论等方面进行研究，并成功开发具有自主知识产权的HRPS—IIIA选择性激光成形机。该课题组的蔡道生对SLS自适应分层算法、路径规划进行了研究，提出了扫描路径优化策略，提高了烧结成形速度。该校机械学院宾鸿赞教授及其课题组对SLS过程中的扫描路径进行了系统深入的研究，提出分形扫描路径，自主研制了钢丝绳驱动的2DSLS实验原形机，试验表明采用分形扫描的
　　SLS件的抗压强度提高20%左右，SLS功率降低20％左右，并进行了基于物理过程的SLS加工工艺仿真。
　　北京航空航天大学的赵保军对SLS过程致密度、聚苯乙烯粉末烧结温度场进行了仿真分析。汪苏教授研究了SLS工艺参数对制件性能的影响。
　　南京航空航天大学沈以赴教授对多组分铜基金属粉末的SLS工艺进行了研究，分析了激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描问距和铺粉厚度对烧结致密度的影响，发现当烧结能量密度大于某一临界值(O.15kJ／m3)时烧结致密度明显提高，但是能量密度大于0.3kJ／m3，致密度反而呈所降低。
　　华北工学院主要从事SLS激光系统的研究，提出的变长线激光扫描方式突破了目前SLS点扫描的传统模式，极大的提高了烧结质量和烧结成形效率。
此外，还有很多高校及研究所也参与了SLS技术的研究工作。目前国内已于RP成形系统、SLS成形机、金属粉末研究以及烧结理论、扫描路径等方面取得了许多重大成果。
9.结论与展望
　　尽管SLS工艺在过去的二十年里取得了较大的发展，但是存在的以下这些问题仍限制了其普及和推广：(1)SLS系统的速度、精度和表面粗糙度不能满足工业生产要求；(2)激光工艺参数(如激光类型和扫描方式)对零件质量影响敏感，需要较长的时间摸索；(3)SLS设备成本较高。针对当前存在的这些问题，目前国内外的专家的研究热点集中在以下几个方面：
　　(1)新材料的研究。材料是SLS技术发展的关键环节，它直接影响烧结试样的成形速度、精度和物理、化学性能。目前SLS制造的零件普遍存在强度不高、精度低、需要后处理等诸多缺点，这就需要研制出各种激光烧结快速成形的专用材料；
　　(2)SLS连接机理研究。不同的粉末材料其烧结成形机理是截然不同的，金属粉末的烧结过程主要由瞬时液相烧结控制，但是目前对其烧结机理的研究仪停留在显微组织理论层次，需要从SLS动力学理论进行研究来定量的分析烧结过程；
(3)SLS工艺参数优化研究。SLS的工艺参数如激光功率、扫描方式、粉末颗粒大小等等对SLS烧结件的质量都有影响。目前，工艺参数与成形质量之间的关系是SLS技术的研究热点，国内外对此进行了大量的研究；
　　(4)SLS建模与仿真研究。由于烧结过程的复杂性，进行实时观察比较困难，为了更好的了解烧结过程，对工艺参数的选取进行指导，有必要对烧结过程进行计算机仿真。
　　随着SIS技术的发展，将对设备研发与应用，新工艺和新材料的研究产生积极的影响，对制造业向环保、节能、高效发展产生巨大的推动作用。
10. 参考文献
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