2.4　激光烧结式SLS

激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS），又称为选区激光烧结或选择性激光烧结技术，最早由美国德克萨斯大学（Texas University）的C. Deckard提出，并于1992年完成商业原型设备正式推向市场。

激光烧结式3D打印技术主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。所以，SLS技术同样是使用层叠堆积成型的方式，不同之处主要在于，在照射之前需要先铺一层粉末材料，然后将材料预热到略低于熔点温度，之后再使用激光照射装置在该层截面上进行扫描，使被照射的部分粉末温度升至熔化点，从而被烧结形成黏接。接着不断重复进行铺粉、烧结的过程，直至整个模型被打印成型。

SLS工艺主要支持粉末状原材料，包括金属粉末和非金属粉末，然后通过激光照射烧结原理堆积成形。SLS的打印原理同SLA十分相似，主要区别在于所使用的材料及其形态不同。SLA所用的原材料主要是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。这一成型机理使得SLS技术在原材料选择上具备非常广阔的空间，因为从理论上来讲，任何可熔的粉末都可以用来进行制作，并且打印出的模型可以作为真实的原型制件使用。

2.4.1　技术原理

激光烧结技术是快速成型工艺中的一种，中文还被译为粉末材料选择性激光烧结、激光选区烧结或粉末烧结等。早在1986年，美国德克萨斯大学的研究生C. Deckard便提出了Selective Laser Sintering（SLS）的思想，并于1989年研制成功。凭借这一核心技术，C. Deckard稍后还组建了DTM公司，在1992年发布了第一台基于SLS的商业成形机。之后一直成为SLS技术的主要领导企业，直到2001年被3D Systems公司完整收购。几十年来，德克萨斯大学和DTM公司的科研人员在SLS领域做了大量的研究工作，并在设备研制、工艺和材料研发上取得了非常丰硕的成果。另外，还有德国的EOS公司也在这一技术领域积累深厚，拥有许多的专利技术，并开发了一系列相应的成型设备。

在国内方面，目前已有多家单位开展了对SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-I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。

选择性激光烧结的技术原理如上图2-9所示，主要加工过程为：先采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成形零件的上表面；并通过打印仓的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上照射，使被照射区粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结；当一个层截面被烧结完成后，打印平台下的工作活塞下降一个层厚的高度，铺粉系统为凹陷的工作台铺上新的粉材；然后控制激光束再次照射烧结新层，如此循环往复，层层叠加，直到完成整个三维零件的打印成型工作；最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，取出已成型工件。

同其他打印设备不同，SLS打印的模型并不能一打印完马上拿出使用，而需要等待整个原型充分冷却之后，才能将其拿出并放置到工作台上，否则原型可能由于温度过高给操作者带来危险。当整个原型被取出后，可以用刷子小心刷去表面粉末，打印后回收和残留的粉末都可以再次重复使用。

对于使用金属粉末作为原材料进行激光烧结，在烧结之前，整个工作台都会被加热至一定温度。这样做可有效减少打印过程中的热变形，并利于层与层之间的黏结。在打印过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，因此不必像SLA和FDM工艺那样另行添加支撑结构，但在打印封闭结构时，必须留有孔洞以便内部支撑粉末的清理。

2.4.2　工艺过程

目前激光烧结技术已经可以选用非常多的粉末材料，并制成相应材质的部件。由于工艺成熟，打印的成品普遍具备精度好、强度高等优点。但SLS最大的优势还在于可以直接完成金属成品的打印，打印完成的零部件可以直接满足测试性需求。并且激光烧结技术可以直接烧结金属零件，也可以间接烧结，最终成品的材料强度远远优于其他3D打印技术。当前SLS设备家族中最为知名的是3D Systems公司的sPro系列，以及德国EOS的M系列。

根据前面介绍的SLS工艺原理，其具体工艺过程可概括如下。

（1）整个打印仓在打印期间，始终保持在粉材熔点略低一些的温度。

（2）将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平。

（3）使用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上照射出零件的层截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，并与下面已成形的部分相黏结。

（4）当一层截面被烧结完成后，通过铺粉系统新铺一层粉末材料，然后进行下一层截面的打印。

激光烧结技术虽然优势非常明显，但是也同样存在缺陷。首先是粉末烧结带来的表面粗糙，需要后期打磨处理；其次是需使用大功率激光器，使得需要较高的设备和维护成本，以及配套的保护、控制部件，设备整体技术复杂度高、制造难度大，普通用户无法承受，难于大范围推广。所以，目前SLS设备的应用范围主要集中在高端制造领域，尚未有桌面级SLS3D打印机开发的消息，要进入普通民用领域，可能还需要很长一段时间。

2.4.3　技术特点

与其他3D打印机技术相比，SLS工艺最突出的优点在于它打印可以使用的原材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间黏结的粉末材料都可以被用来作为SLS的成型材料。目前，已可成熟运用于SLS设备打印的材料主要有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS工艺具备成型材料品种多、用料节省、成型件性能好、适合用途广以及无需设计和制造复杂的支撑系统等优点，所以SLS的应用越来越广泛。

具体来讲，SLS的优点主要有以下几个方面。

（1）与其他工艺相比，能生产强度高、材料属性优异的产品，甚至可以直接作为终端产品使用。

（2）可供使用的原材料种类众多，包括工程塑料、蜡、金属、陶瓷粉末等。

（3）零件的构建时间较短，打印的物品精度非常高。

（4）无需设计和构造支撑部件。

相对其他3D打印技术，其缺点主要包括以下几点。

（1）关键部件损耗高，并需要专门实验室环境。

（2）打印时需要稳定的温度控制，打印前后还需要预热和冷却，后处理也较麻烦。

（3）原材料价格及采购维护成本都较高。

（4）成型表面受粉末颗粒大小及激光光斑的限制，影响打印的精度。

（5）无法直接打印全封闭中空的设计，需要留有孔洞去除粉材。

2.4.4　典型设备

3D打印机技术中，金属粉末SLS技术一直是近年来人们研究的一个重要方向。实现使用高熔点金属直接烧结成型零件，有助于制作传统切削加工方法难以制造的高强度零件，对快速成型技术更广泛的应用具有特别重要的意义。图2-10是一款比较典型的SLS设备，3D Systems公司的sPro系列。

从未来发展来看，SLS技术在金属材料领域中的研究方向主要集中在单元体系金属零件烧结成型，多元合金材料零件的烧结成型，先进金属材料（如金属纳米材料、非晶态金属合金等）的激光烧结成型等方向，尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外，还可以根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。相信随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握，对各种金属材料最佳烧结参数的获得，以及专用的快速成型材料的出现，SLS技术的研究和应用也将会进入一个新的局面。