LS技術是高端制造領域普遍應用的技術。最初由美國德克薩斯大學的研究生C.R. Dechard提出，并于1989年研制成功。憑借這一核心技術，他組建了DTM公司，之后一直成為SLS技術的主要領導企業(yè)，直到2001年被3D Systems公司完整收購。幾十年來，德克薩斯大學的DTM公司的科研人員在SLS領域做了大量的研究工作，并在設備研制、工藝和材料研發(fā)上取得了豐碩的成果。
國內(nèi)方面，已有多家單位開展了對SLS的相關研究工作，如華中科技大學、南京航空航天大學、西北工業(yè)大學、以及北京和湖南的3D打印企業(yè)，取得了許多重大成果。今天就跟你分享3D打印領域中的SLS技術。
01
SLS原理
選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, SLS）技術由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard發(fā)明，主要是利用粉末材料在激光照射下高溫燒結(jié)的基本原理，通過計算機控制光源定位裝置實現(xiàn)精確定位，然后逐層燒結(jié)堆積成型。
SLS的工作過程與3DP相似，都是基于粉末床進行的，區(qū)別在于3DP是通過噴射粘結(jié)劑來粘結(jié)粉末，而SLS是利用紅外激光燒結(jié)粉末。先用鋪粉滾軸鋪一層粉末材料，通過打印設備里的恒溫設施將其加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度，接著激光束在粉層上照射，使被照射的粉末溫度升至熔化點之上，進行燒結(jié)并與下面已制作成形的部分實現(xiàn)黏結(jié)。當一個層面完成燒結(jié)之后，打印平臺下降一個層厚的高度，鋪粉系統(tǒng)為打印平臺鋪上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射進行燒結(jié)，如此循環(huán)往復，層層疊加，直至完成整個三維物體的打印工作。
SLS工藝原理
激光燒結(jié)技術是成型原理最復雜，條件最高，設備及材料成本最高的3D打印技術之一，但也是目前對3D打印技術發(fā)展影響最為深遠的技術。從理論上來說，任何加熱后能夠形成原子間黏結(jié)的粉末材料都可以被用來作為SLS的成型材料，目前，已可成熟運用于SLS設備打印的材料主要有石蠟、尼龍、金屬、陶瓷粉末和它們的復合材料。
SLS優(yōu)勢
可使用材料廣泛。可使用的材料包括尼龍、聚苯乙烯等聚合物，鐵、鈦、合金等金屬、陶瓷、覆膜砂等；
成型效率高。由于SLS技術并不完全熔化粉末，而僅是將其燒結(jié)，因此制造速度快；
材料利用率高。未燒結(jié)的材料可重復使用，材料浪費少，成本較低；
無需支撐。由于未燒結(jié)的粉末可以對模型的空腔和懸臂部分起支撐作用，不必像FDM和SLA工藝那樣另外設計支撐結(jié)構，可以直接生產(chǎn)形狀復雜的原型及部件；
應用面廣。由于成型材料的多樣化，可以選用不同的成型材料制作不同用途的燒結(jié)件，可用于制造原型設計模型、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等。
SLS技術限制
原材料價格及采購維護成本都較高。
機械性能不足。SLS成型金屬零件的原理是低熔點粉末粘結(jié)高熔點粉末，導致制件的孔隙度高，機械性能差，特別是延伸率很低，很少能夠直接應用于金屬功能零件的制造。
需要比較復雜的輔助工藝。由于SLS所用的材料差別較大，有時需要比較復雜的輔助工藝，如需要對原料進行長時間的預處理（加熱）、造成完成后需要進行成品表面的粉末清理等。
03
SLS的應用
1金屬粉末的燒結(jié)
用于SLS燒結(jié)的金屬粉末主要有三種：單一金屬粉末、金屬混合粉、金屬粉加有機物粉末。相應地，SLS技術在成型金屬零件時，主要有三種方式：
單一金屬粉末的燒結(jié)
例如鐵粉，先將鐵粉預熱到一定溫度，再用激光束掃描、燒結(jié)。燒結(jié)好的制件經(jīng)熱等靜壓處理，可使最后零件的相對密度達到99．9%。
金屬混合粉末的燒結(jié)
主要是兩種金屬的混合粉末，其中一種粉末具有較低的熔點．另一種粉末的熔點較高。例如青銅粉和鎳粉的混合粉。先將金屬混合粉末預熱到某—溫度．再用激光束進行掃描，使低熔點的金屬粉末熔化(如青銅粉)，從而將難熔的鎳粉粘結(jié)在一起。燒結(jié)好的制件再經(jīng)液相燒結(jié)后處理，可使最后制件的相對密度達到82%。
金屬粉末與有機黏合劑粉末的混合體
將金屬粉末與有機黏合劑粉末按一定比例均勻混合，激光束掃描后使有機黏合劑熔化，熔化的有機黏合劑將金屬粉末黏合在一起（如銅料和有機玻璃粉）。燒結(jié)好的制件再經(jīng)高溫后續(xù)處理，一方面去除制件中的有機黏合劑，另一方面提高制件的力學強度和耐熱強度。
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目前，SLS發(fā)明人Dechard組建的美國DTM公司的產(chǎn)品中，已經(jīng)商業(yè)化的金屬粉末產(chǎn)品有以下幾種：
RrapidSteel1.0，其材料成分為1080碳鋼金屬粉末和聚合物材料，聚合物均勻覆在粉粒的表面，成型坯的密度是鋼密度的55%，強度可達2.8 MPa，所滲金屬可以是純銅，也可以是青銅，這種材料主要用來制造注塑模。
RrapidSteel2.0，其燒結(jié)成型件完全密實，達到鋁合金的強度和硬度，能進行機加工、焊接、表面處理及熱處理，可作為塑料件的注塑成型模具，注塑模的壽命可達到10萬件/副，也可以用來制造用于Al、Mg、Zn等有色金屬零件的壓鑄模，壓鑄模的壽命能達到200～500件/副。
Copper Polyamide，基體材料為銅粉，黏結(jié)劑為聚酰胺（Polyamide），其特點是成型后不需二次燒結(jié)，成型件可用于常用塑料的注塑成型，壽命為100～400件/副。
此外，還有德國EOS推出的DirectSteel（混合油其他金屬粉末的鋼粉末）等材料。
2陶瓷粉末的燒結(jié)
與金屬合成材料相比，陶瓷粉末材料有更高的硬度和更高的工作溫度，也可用于復制高溫模具。由于陶瓷粉末的熔點很高，所以在采用SLS工藝燒結(jié)陶瓷粉末時，需要在陶瓷粉末中加入低熔點的黏合劑。激光燒結(jié)時首先將黏合劑熔化，然后通過熔化的黏合劑將陶瓷粉末黏結(jié)起來成型，最后通過后處理來提高陶瓷零件的性能。
目前所用的純陶瓷粉末原料主要有Al_2 O_3和SiC，而粘結(jié)劑有無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑和金屬粘結(jié)劑三種。由于工藝過程中鋪粉層的原始密度低，因而制件密度也低，故多用于鑄造型殼的制造。