选择性激光烧结在3D打印中的应用

2016-12-15马旭东

工程技术研究 2016年11期

关键词：金属粉末选择性成型

马旭东

（长春汽车工业高等专科学校，吉林长春 130013）

选择性激光烧结在3D打印中的应用

马旭东

（长春汽车工业高等专科学校，吉林长春 130013）

选择性激光烧结是快速成型技术中一个重要分支。它是材料科学、计算机技术、机械工程和光学工程等学科的高度集成。文章综述选择性激光烧结的特点与常规冶金方法的异同。介绍了国内外研究现状，并指出了当前研究存在的问题，提出了广阔的前景。

SLS；快速成型；3D；打印

选择性激光烧结技术（简称SLS）是一种可以直接制造近终端零件、终端产品的3D打印技术[1]。它将激光烧结技术与激光熔覆技术相结合，通常是利用纯金属粉末或合金粉末直接制造出表面粗糙度较好、尺寸精度较高和致密性接近100%，具有冶金性质的金属零件[2]。SLS工艺在金属3D打印中具有独特的优势，逐步的应用到实践生产中。

1 选择性激光烧结工艺简介

SLS最大的优势就是自由成形、无需模压过程。并且适用SLS工艺材料种类宽泛、不需要支撑结构，缩短了产品开发的周期，节约了企业的成本。可以从金属粉末和粘结剂混合烧结，金属粉末烧结和金属粉末压坯烧结这三个方面对金属粉末进行制造成型。其工艺原理如图1所示。

图1 SLS技术的快速成型系统工艺原理

2 国内外研究现状

德国EOS公司一直都是全球3D打印技术（SLS）的领导者。它自行研发选择性激光烧结最新的Eosint M 280的系统，不受传统的加工限制，更加贴合产品的外形轮廓，使极端复杂的结构设计得到了实现。特别是在注塑模具设计上，给水路位置和形状的设计提供更加广阔的思路[3]。DTM公司推出Rapid Steel制造技术，开发了覆膜金属粉末材料的烧结方案。该公司最新研制的Laser Form A6型材料，改善了SLS烧结模具零件的强度、硬度和使用寿命。简化了后处理工艺，提高了成型精度[4]。3D Systems公司[5]的主打产品Sinterstation HiQ系列产品采用的智能温控系统提高了成型质量并因此减少了后处理所需时间，同时提高了材料的利用率。Sinterstation HS系列产品的激光器为100W，加之高速的激光传输系统成型速度是Sinterstation HiQ产品的1.8倍，适用于多种打印材料。

我国从90年代就已经开展SLS工艺的相关研究工作，国内有多家从事研究选择性激光烧结系统以及相适用材料的学校及研究所，并且在诸多方面取得令人瞩目的成就。2000年北京隆源成功研制出复杂内腔金属零件的快速铸造工艺；2009年开发出铸造覆膜砂烧结成型的专业设备，并成功用于汽车发动机缸体和缸盖的快速开发；2011年华曙高科成功研制出我国首台选择性激光烧结设备FS401α机，使我国成为继美国3Dsystems、德国EOS外，世界上第三家高端选择性激光烧结设备制造商。2012年华曙高科成功研制出PA3-C尼龙材料，使我国成为世界上第二家尼龙材料的制造商。华中科技大学快速成形中心长期以来一直进行快速成形装备、工艺以及材料方面的研究。经过多年的研究，成功开发出一系列选择性激光烧结系统。

3 发展前景分析

选择性激光烧结作为3D打印的发展较早的一类，发展也遇到了瓶颈。其设备价格昂贵，也给它的大规模推广带来困难。一方面产品制造效率较低，满足不了量产需求，另一方面打印精度工艺缺陷显著影响着零件的精度。材料方面，可以打印掌握的材料有限，高端的产品打印，无论是材料、工艺还是设备都受制于外国专利。

国内外针对SLS的研究主要是设备、材料烧结方案和激光烧结系统的研制与开发。在SLS设备未来的研究中，①集中在打印速度的提升；②提高设备对各种打印材料的适应能力；③大力降低设备制造成本。在3D打印技术逐步实现产业化的过程中，打印材料的开发以及对应材料打印方案的确定一定会完成标准化，令每一种设备、材料和方案都实现完美匹配。目前市面上主流的3D打印材料和对应的烧结方案主要由Stratasys公司、3D Systems和EOS公司开发。而国内高端产品的打印材料仍然依赖进口，并且价格昂贵。国内要想普及和大力发展3D打印，必须要突破国外在技术和专利上的封锁[3-5]，开发出拥有自主产权的材料和其烧结方案。选择性激光烧结（SLS）的一系列专利，其中包含该技术对铝、铜以及钢铁等多种材质进行打印的专利已于2014年到期，这无疑给3D打印的迅速发展，工业工程的发展带来巨变。