激光选区烧结技术的研究现状及应用进展

文世峰，季羡泰

(华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

增材制造(additive manufacturing，AM)技术又称3D打印，是一种集成了材料、数控加工、计算机等多种技术的先进制造工艺，是基于“离散—累积”的方式逐层成形零件。与传统加工方式相比，3D打印不需要工装夹具，可加工任意复杂形状的零件，零件的设计不再受加工方法和装夹的限制[1-2]。因此，3D打印被广泛应用于汽车、航空、航天、生物医疗、能源动力等领域。激光选区烧结(selective laser sintering，SLS)，又称选择性激光烧结、粉末材料选择性激光烧结，作为3D打印技术的一种，与其他3D打印技术相比，具有工艺简单、用材广泛、制造成本低等特点[3]。本文将重点介绍激光选区烧结技术的研究现状，包括设备、材料和应用等方面，最后对其研究趋势进行展望。

1 激光选区烧结技术原理及特点

激光选区烧结技术(SLS)起源于20世纪80年代，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Deckard首次提出。其工作原理如图1所示。首先通过专用软件对零件的三维CAD模型进行分层切片处理，生成STL文件，文件中保存着各层截面的轮廓信息。然后采用铺粉装置将粉末材料平铺在工作台上，再利用激光束的热作用，根据轮廓数据对目标区域内的粉末进行烧结，使其层层粘接堆积。重复该过程最终成形出所需要的零件[4]。

SLS技术可直接成形复杂的构件，成形过程中粉末材料可作为支撑，故不需要设计支撑，工艺简单；所用成形材料较为广泛，便于储存且价格较为便宜；成形件精度较高。但由于SLS过程是在无外界驱动力的条件下完成的，SLS成形件中或多或少会存在一定缺陷，这就造成其力学性能可能会低于传统的模塑件。因此，为了提高SLS成形件的力学性能，通常会对成形件进行浸渗、冷等静压等后处理[5-6]。

图1 SLS工作原理图

2 激光选区烧结成形设备研究

Deckard在提出SLS工作原理的同一年，研制出第一台SLS设备。其后美国3D Systems公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Station 2000，随后分别于1996年、1998年推出了经过改进的SLS成形设备Sinter Station 2500和Sinter Station 2500 plus[7-8]。其最新的sPro系列成形设备最大成形空间为550 mm×550 mm×750 mm，成形速度为1.8 L/h，能够在较快的成形速度下保证成形零件的精度。此外，德国EOS公司也在1994年先后推出了三个系列的SLS成形设备，分别用于烧结热塑性塑料粉末、金属粉末和树脂砂。目前，其EOS INT P 800系统的成形温度可达385 ℃，成形的零件性能优越；EOS P 770系统则配置了两台激光器，成形速度高达10.5 L/h，适用于大尺寸零件的工业化大批量生产。

国内从1994年开始研究SLS技术，并引进了多台国外SLS成形设备。北京隆源公司于1995年初研制成功第一台AFS激光快速成形机[9]。武汉华科三维公司依托于华中科技大学快速制造中心，于2014年研制出工作台面为1 400 mm×700 mm×500 mm的双激光器双振镜的SLS设备，目前已推出了商品化的HK系列粉末烧结设备(HK S系列树脂砂打印设备，HK P系列高分子打印设备和HK C系列陶瓷打印设备)。此外，华曙高科成功研制出国内首台高端SLS设备，可批量烧结熔点为280 ℃及以下的高分子材料。其FS403P系列快速成形不仅具有高达4.0 L/h的成形速率，而且由于采用了新型动态热场温控系统，使制件的质量得到了大幅提升。国内研究SLS技术的还有南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学等，其中中北大学成功研制出变长线扫描SLS设备，保证了在加工大尺寸零件时具有较高的成形质量和精度[10]。

3 激光选区烧结成形材料及应用研究

成形材料对SLS成形件的尺寸精度、力学性能及使用性能等起着决定性的作用。目前用于SLS的成形材料主要包括金属基粉末、陶瓷基粉末、覆膜砂和高分子基粉末等。

3.1 金属基粉末材料及应用

金属粉末的SLS成形工艺可分为间接法和直接法两种。间接法是将金属粉末与高分子材料均匀混合或者将高分子材料均匀包覆在金属颗粒表面，通过高分子的熔融将金属烧结在一起。直接法所用的材料又可分为单一金属粉末、多组分金属粉末和预合金粉末，直接熔化金属使其达到粘结[11-12]。牛爱军等[13-14]采用SLS技术直接成形316L多孔金属结构，确定了工艺参数对孔隙率的影响规律，为多孔金属材料的仿生制造研究提供可靠依据。陈锋等[15]采用SLS制备W-Cu药型罩骨架，经过渗铜处理获得接近全致密的钨铜药型罩，经过打靶试验发现其与常规射孔弹相比穿深提高了52%。Hong等[16]成功采用SLS烧结Ag纳米粒子制备了金属网格透明导体材料，实验证明该导体器件具有良好的机械性能和导电性能，开创性发展了SLS技术在导电材料中的应用。

相对来说，虽然直接法可使金属成形零件接近理论密度，但成形件中的孔隙仍难以完全消除，需要通过冗长的后处理来提升零件的性能。然而得益于工艺和装备的持续改善，基于金属粉末完全熔化的激光选区熔化成形技术得以实现，其在高性能金属零件的直接制造上具有显著优势，成为金属增材制造方向的研究热点。

3.2 陶瓷基粉末材料及应用

陶瓷材料具有耐高温、强度高、物理化学性质稳定等优点，应用范围较广。目前常用的陶瓷材料有Al2O3、SiC、TiC、Si3N4、ZrO2和磷酸三钙陶瓷(tricalcium phosphate，TCP)。在激光烧结过程中，陶瓷粉料本身的烧结温度较高，激光对粉末颗粒的辐射时间较短，导致难以直接利用激光使陶瓷粉末连接。因此需要向陶瓷粉末中添加黏结剂，通过黏结剂的融化完成陶瓷粉末烧结。国内外目前研究陶瓷相粉料的制备方法主要分为3种，分别是直接将陶瓷粉料与黏结剂混合、将黏结剂包覆在陶瓷粉料表面以及将陶瓷粉料进行表面改性后再与黏结剂混合。其中，覆膜陶瓷粉末由于颗粒分布更均匀，流动性更好，且黏结剂已润湿陶瓷颗粒表面，因而其SLS成形件具有更高的力学性能[17-19]。对于覆膜陶瓷粉末的研发工作也已在中北大学、华中科大等展开。此外，黏结剂的种类、黏结剂的引入方式以及黏结剂的加入量对于成形精度和成形件的强度有着重要影响。Nelson等[20]采用SLS成形SiC时分别以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)为黏结剂，研究发现相对于采用PC做黏结剂的成形件，用PMMA做黏结剂的成形件的精度有所提高。Xiong等[21-22]发现使用尼龙6和NH4H2PO4的复合黏结剂得到的SiC成形件的质量比使用单一尼龙6黏结剂的高。近年来发展起来的以陶瓷浆料为基础的SLS工艺能够成形高致密度的陶瓷零件，具有更广泛的应用前景。Yen[23]用硅溶胶和聚乙烯醇(PVA)作为黏结剂，再混合去离子水制备SiO2陶瓷浆料，经激光扫描后得到的陶瓷制件不仅致密度高，而且表面质量也得到了改善。

此外，通常SLS制备的陶瓷件坯体密度较低，力学性能也较差，还需要对坯体进行熔渗、热等静压和脱脂、高温烧结等后处理。史玉升等[24]通过溶剂沉淀法将黏结剂尼龙12覆膜至纳米氧化锆粉末的表面，再对复合粉末进行SLS/冷等静压成形、脱脂和高温烧结，最终陶瓷制件的致密度大于97%，维氏硬度达1180HV1。魏青松等[25]研究了SLS和高温烧结工艺对堇青石(2MgO ·2Al2O3·5SiO2)陶瓷强度和孔隙率的影响规律，并且应用优化工艺成形出复杂多孔堇青石陶瓷，其可满足车载蜂窝陶瓷催化剂载体抗压强度和孔隙率要求，如图2所示。

图2 SLS结合高温烧结工艺成形的多孔堇青石陶瓷

3.3 覆膜砂及应用

利用SLS整体成形复杂的覆膜砂型(芯)，在高性能复杂薄壁铸件精密制造方面具有巨大的应用价值和广阔前景。SLS所用覆膜砂是采用热塑性或热固性树脂如酚醛树脂包覆石英砂、锆砂或宝珠砂等方法制得。当激光烧结时，砂粒表面黏结剂熔化凝固硬化后在砂粒之间形成以黏结剂为介质的连接桥，连接桥将分散的砂粒连接成形。该方法制得的砂型(芯)尺寸精度高(CT6-8级)，表面质量好(表面粗糙度达到3.2～6.3 μm)，水平接近金属型铸造[26-29]。武汉华科三维公司利用自主研制的HK S系列激光烧结设备成形的树脂砂型，能快速铸造出发动机缸体、缸盖、涡轮、叶轮等结构复杂的零部件，在广西玉柴、中国一拖等得到了成功应用，其成形的复杂结构砂型如图3所示。

图3 通过武汉华科三维HK S系列设备成形的复杂砂型

此外，国内学者也积极推动覆膜砂快速铸造的工程应用，如王春风等[30]采用自行研发的高性能覆膜砂成形出KJ100型发动机气缸盖完整的全套覆膜砂芯，并用RuT340蠕墨铸铁一次成功浇注了合格的KJ100大型缸盖铸件。该缸盖内腔形状复杂，外形尺寸大，达到975.5 mm×259.5 mm×133.5 mm，壁厚最薄处壁厚5 mm，如图4所示。徐志锋等[31]利用SLS成形覆膜砂型，采用低压铸造浇铸出飞机油路管道的曲面薄壁接口铝合金铸件，大幅提高了该产品的研发速度，降低了研发成本。李偲偲等[32-33]通过在覆膜砂中添加碳粉、硼酸和硫铁矿复合阻燃剂浇铸出了外观表面光滑的镁合金铸件，推动了覆膜砂SLS成形技术在镁合金铸造领域的应用。

图4 KJ110气缸盖部分砂芯组装图及浇注铸件图

3.4 高分子基粉末材料及应用

高分子基材料与金属、陶瓷材料相比，具有成形温度低、烧结所需的激光功率小等优点，且工艺条件相对简单。因此，高分子基粉末成为SLS工艺中应用最早和最广泛的材料[34]。已用于SLS的高分子材料主要是非结晶性和结晶性热塑性高分子及其复合材料。其中非结晶性高分子包括聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、高抗冲聚乙烯(HIPS)等。非结晶性高分子在烧结过程中因黏度较高，造成成形速率低，使成形件呈现低致密性、低强度和多孔隙的特点[35-36]。由此，史玉升等[37-39]通过后处理浸渗环氧树脂等方法来提高PS或PC成形件的力学性能，最终制件能够满足一般功能件的要求。虽然非结晶性高分子成形件的力学性能不高，但其在成形过程中不会发生体积收缩现象，能保持较高的尺寸精度，因而常被用于精密铸造。如EOS公司和3D Systems公司以PS粉为基体分别研制出Prime Cast100型号和Cast Form型号的粉末材料，用于熔模铸造[40]。廖可等[41]通过浸蜡处理来提高PS烧结件的表面光洁度和强度，之后采用熔模铸造工艺浇注成形结构精细、性能较高的铸件。

结晶性高分子有尼龙(PA)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚醚醚酮(PEEK)等。结晶性高分子在SLS成形过程中因黏度低而具有较快的成形速率，且成形件呈现高致密性和高强度等特点[42]。PA烧结性能好，成形件的耐磨性和机械强度高，是目前激光选区烧结中研究使用最多的高分子材料。然而，PA在熔融、结晶过程中有较大的收缩，同时烧结引起的体积收缩也非常大，造成烧结过程中发生翘曲变形，烧结件的尺寸精度较差。基于此，国内外研究学者在尼龙中加入无机、金属粉体等所形成的聚合物复合粉末材料，其不仅可以起到改善制件收缩的作用，还可以有效提高激光烧结成形件的刚性、硬度、热稳定等性能，从而满足多种用途和条件下对塑料制件的功能需求[43-44]。如汪艳[45-46]将硅灰石混入尼龙12中制得复合粉末材料，烧结件的平均收缩率由原来的2.1%减小到1.66%，且拉伸强度、弯曲强度及模量分别提高了35%、75%和111%；而混入滑石粉的平均收缩率减小到1.42%，其热变形温度也得到提高。因此，3D Systems公司和EOS公司都将PA粉末作为激光烧结的主导材料，并推出了以PA为基体的多种复合粉末材料，如3D Systems公司推出以玻璃微珠做填料的尼龙粉末DuraForm GF，EOS推出碳纤维/尼龙复合粉末CarbonMide等[34]。国内湖南华曙高科也基于PA重点研发出多种复合粉末材料，并成功应用于航天和汽车零部件制造，华曙高科采用PA复合粉末材料成形的复杂零部件，见图5。

图5 华曙高科采用PA复合粉末材料成形的复杂零部件

SLS技术的突出优点是可用于制造结构复杂、个性化的产品，这与生物医学领域的需求非常契合。利用CT扫描数据，SLS能够精准、快速地将骨骼和血管作为3D模型复制出来，这些3D打印模型可以用于医生在手术前开展准确的术前预演练习。此外，一些具有生物活性或生物相容性的高分子复合材料有望使SLS在生物骨骼领域得到应用与推广。Song等[47]利用SLS成形脂肪酸聚碳酸酯/羟基磷灰石复合粉末，制得了孔隙率为77.36%、压缩模为26 MPa的医用支架。Duan等[48]采用SLS制备了左旋聚乳酸(PLLA)/碳化羟基磷灰石(CHAp)支架材料，如图6所示。经过7天的细胞培养实验，这种SLS支架具有很好的生物相容性，SaOS-2细胞生长情况良好，适用于组织工程。Xia等[49]将聚已内酯(PCL)与纳米羟基磷灰石(nano-HA)复合材料运用于激光烧结，得到了有序的微孔支架。通过试管培养人骨髓间充质干细胞发现，nano-HA/PCL支架和纯PCL支架都有非常优良的生物相容性，但nano-HA/PCL支架有更强的细胞依附和促进细胞生长的能力，同时表现出更为优良的骨再生能力。对纯PCL支架和nano-HA/PCL支架进行骨组织培养后的骨生长情况如图7所示。

图6 SLS成形的PLLA/CHAp支架（a,b）和经过7天细胞培养实验后SaOS-2细胞的形貌（c,d）

图7 在纯PCL支架和在纯nano-HA/PCL支架中培养3个星期和9个星期的骨组织生长情况

激光选区烧结(SLS)技术自诞生以来，在金属、高分子、陶瓷和生物骨骼等领域得到了应用与发展。但仍面临着诸多在设备、材料及后处理等方面的问题。因此，未来的SLS将在如下几方面加大研究和投入，以推广和扩大SLS的应用领域。

1) SLS成形设备还存在价格昂贵、打印速度慢、成形精度低等缺点，因此进一步提高工业级SLS设备的加工效率，同时降低设备的成本，这对于推广和扩大SLS的应用领域具有重要的意义。

2) SLS工艺对材料的性能有特殊要求，因此目前能用于SLS的材料种类较少，无法满足各种不同应用的需求。其次，成形件功能需求和材料环保性等因素也限制了某些材料在SLS的应用。因此，开发高性能环保型的复合成形材料，降低材料的成本等仍为将来研究的热点。

3) 除了开发新材料之外，还可深入研究和改进现有的后处理工艺，以逐步降低生产成本，同时提高成形件的综合性能。

4) 充分发挥SLS数字化、个性化等优势，积极拓展和推广其在航空航天和生物医疗等领域的应用，逐步解决关键性问题，使其早日成为产业转型的重要工具。

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