机械⼯业出版社（第三版）
第四章选择性激光烧结成型⼯艺
◆选择性激光烧结⼯艺(S elective L aser S intering ，SLS )⼜称为选区激光烧结技术，SLS ⼯艺是利⽤粉末材料（⾦属粉末或⾮⾦属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。 ◆ SLS 的原理与SLA （光固化成型）⼗分相似，主要区别在于所使⽤的材料及其性状不同。SLA 所⽤的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，⽽SLS 则使⽤粉状的材料。
◆该⽅法最初是由美国德克萨斯⼤学奥斯汀分校的C. R. Dechard 于1989年提出的，稍后组建了DTM 公司，于1992年开发了基于SLS 的商业成型机(Sinterstation)。20年来，奥斯汀分校和DTM 公司在SLS 领域做了⼤量的研究⼯作，并取得了丰硕成果。德国的EOS 公司在这⼀领域也做了很多研究⼯作，并开发了相应的系列成型设备。
◆国内华中科技⼤学（武汉滨湖机电产业有限责任公司）、南京航空航天⼤学、中北⼤学和北京隆源⾃动成型有限公司等，也取得了许多重⼤成果和系列的商品化设备。
1 选择性激光烧结⼯艺的基本原理和特点
2
3 选择性激光烧结⼯艺过程
4 ⾼分⼦粉末烧结件的后处理
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选择性激光烧结快速成型材料及设备第四章选择性激光烧结成型⼯艺
5 选择性激光烧结⼯艺参数
◆ SLS 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层上扫描，使粉末的温度升⾄熔化点，进⾏烧结并与下⾯已成形的部分实现粘接。
◆当⼀层截⾯烧结完后，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，如此反复，直⾄完成整个模型。
第⼀节选择性激光烧结⼯艺的基本原理和特点
图4-1 选择性激光烧结⼯艺原理图
1.选择性激光烧结（ SLS ）⼯艺的基本原理
◆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，不必象SLA 和FDM ⼯艺那样另⾏⽣成⽀撑⼯艺结构。
◆当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末块会上升到初始的位置，
将其拿出并放置到后处理⼯作台上，⽤刷⼦⼩⼼刷去表⾯粉末露出加⼯件部分，其余残留的粉末可⽤压缩空⽓除去。
图4-2 选择性激光烧结系统的基本组成◎可直接制作⾦属制品◎可采⽤多种材料◎⽆需⽀撑结构◎制造⼯艺⽐较简单◎材料利⽤率⾼
优点：
2.选择性激光烧结⼯艺的特点
缺点：◎原型表⾯粗糙◎烧结过程挥发异味◎有时需要⽐较复杂的辅助⼯艺第⼀节选择性激光烧结⼯艺的基本原理和特点
1 选择性激光烧结⼯艺的基本原理和特点
2 3 选择性激光烧结⼯艺过程 4 ⾼分⼦粉末烧结件的后处理
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选择性激光烧结快速成型材料及设备
第四章选择性激光烧结成型⼯艺
5 选择性激光烧结⼯艺参数
第⼆节选择性激光烧结的材料及设备
SLS ⼯艺材料适应⾯⼴，不仅能制造塑料零件，还能制造陶
瓷、⽯蜡等材料的零件，特别是可以直接制造⾦属零件，这使SLS ⼯艺颇具吸引⼒。
◆⽤于SLS ⼯艺的材料是各类粉末，包括⾦属、陶瓷、⽯蜡以及聚合物的粉末。◆⼯程上⼀般采⽤粒度的⼤⼩来划分颗粒等级，如右表所⽰。
◆SLS ⼯艺采⽤的粉末粒度⼀般在50～125µm 之间。
表4-1 ⼯程上粉体的等级及相应的粒度范围
1.选择性激光烧结快速成型材料
间接SLS ⽤的复合粉末通常有两种混合形式：
◎粘结剂粉末与⾦属或陶瓷粉末按⼀定⽐例机械混合；◎把⾦属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的⾦属或陶瓷粉末。
实践表明，采⽤粘结剂包裹的粉末的制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。
表4-2 常⽤的SLS ⼯艺的材料
表4-3 DTM 公司开发的部分SLS ⽤成型材料
剖腹自杀美国DTM 公司开发的粉末材料：
在SLS 领域，以DTM 公司所开发的成型材料类别较多，最具代表性，其已商品化的SLS ⽤成型材料产品见表4-3。
表4-4 部分DuraForm 系列粉末材料及性能
DTM 公司
所开发的成型材料类别较多，最具代表性，其中部分⾼分⼦材料粉末的具体型号及其指标与性能如表4-4所⽰
表4-5 DTM 公司开发的部分⾦属粉末及树脂砂材料及性能
DTM 公司所开发的成型材料类别较多，最具代表性，其中部分⾦属粉末及树脂砂粉末的物理与⼒学性能如表4-5所⽰。
表4-6 EOS 公司开发的部分粉末材料及性能
德国EOS 公司开发的系列粉末烧结材料:
粉末烧结快速成型设备著名开发商德国EOS 公司也开发了系列粉末烧结材料，其型号及性能等如表4-6所⽰。
张抗美
表4-7 国内各单位开发的SLS ⽤成型材料
国内开发的SLS 材料：
国内⼏家主要快速成型技术研究单位研制的成型材料见表4-7。
◆研究选择性激光烧结（SL S ）设备⼯艺的单位有美国的DTM 公司、3D Systems 公司、德国的EOS 公司以及国内的北京隆源公司和华中科技⼤学等。
◆下图是DTM 公司的Sinterstation 2500和2500Plus 机型，如图所⽰。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。
2. 选择性激光烧结快速成型设备
图4-4 DTM 公司的Sinterstation2500 Plus 机型
图4-3 DTM 公司的Sinterstation2500机型
图4-5 HRPS-IIIA 激光粉末烧结快速成型机
华中科技⼤学的HRPS-III 激光粉末烧结系统，如下图所⽰。它在硬件和软件⽅⾯有着⾃⼰先进的特点。
（1）硬件⽅⾯
扫描系统采⽤国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有⾼速度和⾼精度的特点
激光器采⽤美国CO 2激光器，具有稳定性好、可靠性⾼、模式
好、寿命长、功率稳定、可更换⽓体、性能价格⽐⾼
等特点，并配以全封闭恒温⽔循环冷却系统新型送
粉系统
可使烧结辅助时间⼤⼤减少
排烟除尘系统及时充分地排除烟尘，防⽌烟尘对烧结过程和⼯作环境的影响
⼯作腔
结构
全封闭式，防⽌粉尘和⾼温对设备关键元器件的影响
华中科技⼤学的HRPS-III 激光粉末烧结系统
切⽚模块具有HRPS-STL(基于STL ⽂件)和HRPS-PDSLice （基于直接切⽚⽂件，由⽤户选⽤）两种模块
数据处理具有STL ⽂件识别及重新编码，容错及数据过滤切⽚，STL ⽂件可视化，原型制作实时动态仿真等功能⼯艺规划
具有多种材料烧结⼯艺模块（包括烧结参数、扫描⽅式和成型⽅向等）
安全监控设备和烧结过程故障⾃动诊断，故障⾃动停机保护
（2）软件⽅⾯
独⾃开发的功能强⼤的HRPS ’2002软件，有如下特点：
图4-6 HRPM-II ⾦属粉末熔化快速成型机
华中科技⼤学（武汉滨湖机电技术产业有限公司）开发了⾦属粉末熔化快速成型系统，⽬前推出了HRPM-I 和
HRPM-II 两种型号。该设备可直接制作各种复杂精细结构的⾦属件及具有随形冷却⽔道的注塑模、压铸模等⾦属模具，材料利⽤率⾼。图4-6为HRPM-II ⾦属粉末熔化快速成型机。
表4-8 国内外部分选择性激光烧结快速成型设备⼀览表
1 选择性激光烧结⼯艺的基本原理和特点
雅兹迪人2 3 选择性激光烧结⼯艺过程 4 ⾼分⼦粉末烧结件的后处理
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选择性激光烧结快速成型材料及设备
第四章选择性激光烧结成型⼯艺
5 选择性激光烧结⼯艺参数
选择性激光烧结⼯艺使⽤的材料⼀般有⽯蜡、⾼分⼦、⾦属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。材料不同，其具体的烧结⼯艺也有所不同。
1. ⾼分⼦粉末材料烧结⼯艺
⾼分⼦粉末材料激光烧结快速原型制造⼯艺过程同样分为
前处理、粉层烧结叠加以及后处理过程三个阶段。
下⾯以某⼀铸件的SLS 原型在HRPS-IVB 设备上的制作为例，介绍具体的⼯艺过程。
第三节选择性激光烧结⼯艺过程
前处理成型后处理
（1）前处理非常女生在线阅读
前处理阶段主要完成
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原型系统中。
图4-7 某铸件的CAD 模型
（2）粉层激光烧结叠加
图4-8 原型⽅位确定后的加⼯状态
◆⾸先对成型空间进⾏预热。对于PS ⾼分⼦材料，⼀般需要预热到100℃左右。在预热阶段，根据原型结构的特点进⾏制作⽅位的确定，当摆放⽅位确定后，将状态设置为加⼯状态。◆然后设定建造⼯艺参数，如层厚、激光扫描速度、⽅式、功率、烧结间距等。当成形区域的温度达到预定值时，便可以启动制作了。
◆在制作过程中，为确保制件烧结质量，减少翘曲变形，应根据截⾯变化相应的调整粉料预热的温度。
◆所有叠层⾃动烧结叠加完毕后，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。
图4-9 某铸件经过渗蜡处理的SLS 原型
（3）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进⾏补强处理。
由于该原型⽤于熔模铸造，所以进⾏渗蜡处理。渗蜡后的该铸件原型如图所⽰。
2. ⾦属零件间接烧结⼯艺
◆在⼴泛应⽤的⼏种快速原型技术⽅法中，只有SLS ⼯艺可以直接或间接的烧结⾦属粉末来制作⾦属材质的原型或零件。◆⾦属零件间接烧结⼯艺使⽤的材料为混合有树脂材料的⾦属粉末材料，SLS ⼯艺主要实现包裹在⾦属粉粒表⾯树脂材料的粘接。◆整个⼯艺过程主要分三个阶段：⼀是 SLS 原型件(“绿件”)的制作
⼆是粉末烧结件(“褐件”)制作三是⾦属溶渗后处理。
图4-10 基于SLS ⼯艺的⾦属零件
间接制造⼯艺过程
1、原型件制作关键技术
①选⽤合理的粉末配⽐：环氧树脂与⾦属粉末的⽐例⼀般控制在1：5与1：3之间。
②加⼯⼯艺参数匹配：粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层厚、激光功率以及扫描速度等。 2、褐件制作关键技术
烧结温度和时间：烧结温度应控制在合理范围内，⽽且烧
结时间应适宜。 3、⾦属熔渗阶段关键技术
选⽤合适的熔渗材料及⼯艺：渗⼊⾦属必须⽐“褐件”中
⾦属的熔点低。
⾦属零件间接烧结⼯艺过程中的关键技术：
伦敦铜
实例：
采⽤⾦属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合，其体积⽐为67%、16%、17%；在激光功率40W 下，取扫描速度
170mm/s ，扫描间隔在0.2mm 左右，扫描层厚为0.25mm 时烧结。后处理⼆次烧结时，控制温度在800℃，保温1h ；三次烧结时温度1080℃，保温40min ；熔渗铜时温度1120℃，熔渗时间40min 。所成型的⾦属齿轮零件如图所⽰。
图4-11 ⾦属齿轮零件
◆⾦属零件直接烧结⼯艺采⽤的材料是纯粹的⾦属粉末，是采⽤SLS ⼯艺中的激光能源对⾦属粉末直接烧结，使其融化，实现叠层的堆积。
◆⾦属零件直接烧结成型过程较间接⾦属零件制作过程明显缩短，⽆需间接烧结时复杂的后处理阶段。但必须有较⼤功率的激光器，以保证直接烧结过程中⾦属粉末的直接熔化。
◆因⽽，直接烧结中激光参数的选择，被烧结⾦属粉末材料的熔凝过程及控制是烧结成型中的关键。
图4-12 基于SLS ⼯艺的⾦属零件直接制
造⼯艺流程
3. ⾦属零件直接烧结⼯艺
4. 陶瓷粉末烧结⼯艺
◆陶瓷粉末材料的选择性激光烧结需要在粉末中加⼊
粘结剂。⽬前所⽤的纯陶瓷粉末原料主要有Al 2O 3和SiC ，⽽粘接剂有⽆机粘接剂、有机粘接剂和⾦属粘接剂等。
◆陶瓷粉末烧结制件的精度由烧结时的精度和后续处理时的精度决定。在激光烧结过程中，粉末烧结收缩率、烧
结时间、光强、扫描点间距和扫描线⾏间距对陶瓷制件坯体的精度有很⼤影响；另外，光斑的⼤⼩和粉末粒径直接影响陶瓷制件的精度和表⾯粗糙度。后续处理（焙烧）时产⽣的收缩和变形也会影响陶瓷制件的精度。
◆当材料是陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造⽤的壳形来⽣产各类铸件，甚⾄是复杂的⾦属零件。
1 选择性激光烧结⼯艺的基本原理和特点
2 3 选择性激光烧结⼯艺过程 4 ⾼分⼦粉末烧结件的后处理
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选择性激光烧结快速成型材料及设备
第四章选择性激光烧结成型⼯艺
5 选择性激光烧结⼯艺参数
重庆出租车罢运事件◆⾼分⼦粉末材料烧结件的后处理⼯艺主要有渗树脂和渗蜡两种。当原型件主要⽤于熔模铸造的消失型时，需要进⾏渗蜡处理。当原型件为了提⾼强硬性指标时，需要进⾏渗树脂处理。
◆以⾼分⼦粉末为基底的烧结件⼒学性能较差，作为原型件⼀般需对烧结件进⾏树脂增强。在树脂涂料中，环氧树脂的收缩率较⼩，可以较好地保持烧结原型件的尺⼨精度，提⾼⾼分⼦粉末烧结件的适⽤范围。
第四节⾼分⼦粉末烧结件的后处理
影响后处理的因素： a) 未经处理的PS 原型件 b) 经过渗树脂后的PS 原型件
图4-14 PS 材料SLS 原型处理前后的断⾯SEM 照⽚
第四节⾼分⼦粉末烧结件的后处理
从断⾯的SEM 照⽚可以看出，未经处理的烧结件的微粒间除熔融粘连外，有⼤量的空隙存在；⽽经树脂处理后的烧结件，树脂填充了⼤量的空隙，烧结件的强度和抗冲能⼒都⼤⼤提⾼了。
（⼀）收缩精度的影响
（⼆）⼒学性能的影响
◆塑料硬度是表⽰抵抗其他较硬物体的压⼊性能，是材料软硬程度有条件性的定量反映。烧结后的材料表⾯有⼀定的硬度，浸渍后，烧结件的HD 由51提⾼到73左右，硬度有了显著的改善。
◆冲击性能对复合材料的宏观缺陷和微观结构上的差异⼗分敏感。经树脂处理后的烧结件的抗冲击性能得到了改善，抗冲性能
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