物联网行业中3D打印工艺——SLS（选择性激光烧结）工艺

3D打印工艺——SLS打印技术简介

工艺全称：

选择性激光烧结，其工作原理是借助红外激光在高温下进行粉末烧结材料，并以逐层堆积的方式成型三维零件的一种快速成型技术。

工艺过程：

3D打印机内设有一个平台，材料粉末平铺在平台上，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，平台上方控制系统控制激光束按照该层的截面轮廊在粉层上扫描，使粉未的温度升到熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。完成一层后，工作台下降一层厚度，铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。

3D打印工艺——SLS工艺的特点

优点：

1、出货速度快，SLS打印，无需支撑结构，无需着色处理，清粉后就可以出货。

2、精度，SLS精度可以保持在正负0.2MM左右，可做产品外壳验证。

3、无需支撑，层叠过程中的悬空层可由未烧结的粉末来支撑，无需拆支撑，所以表面无支撑麻点。

4、材料利用率高，未烧结的粉末可重复利用，所以相当价格要便宜一些。

5、可加工复杂结构，包括镂空结构、空心结构。制件强度高。

缺点：

SLS工艺有一定的优势，当然也会有一些劣势：

1、打印成品收缩，尼龙和其他材料在烧结成型之后，会有一定的收缩。收缩率因素很多，例如常见冷却过程、粉末类型和烧结激光能量。

2、表面颗粒感 ，粉末颗粒烧结成型的结果，表面会存在颗粒感，以及成型层纹。

3、加工和材料损耗， SLS打印机损耗巨大，打印时打印腔室需持续提供惰性气体，保持恒温，能耗大。单次打印，设备需要投入数倍的打印材料，特别是工业级设备。

4、每次打印需要新鲜粉末， SLS打印机成型后剩余粉末，有些因高温导致粉末损坏，无法使用，需要筛除，添加新粉混合打印。

3D打印工艺——SLS打印技术主要的使用材料

选择性激光烧结（SLS），是3D打印技术的一种，属于快速成型技术。选择性激光烧结是以粉末材料为耗材，利用红外激光为热源，通过激光高温烧结粉末材料，当一层截面烧结完成后，底板配合下移，再烧结新一层截面，以逐层堆积方式形成三维产品。

选择性激光烧结工艺可采用多种材料粉末作为加工原料，理论上来讲，任何加热后可粘结的粉末材料都可使用，材料来源范围广是选择性激光烧结工艺的突出优点。现阶段，选择性激光烧结工艺可应用的粉末材料主要是聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、石蜡、石膏、金属、陶瓷、玻璃、复合材料等，其中，高分子聚合物材料是主要应用类型，尼龙应用需求量最大，占比达到90%左右。

1. 聚合物

由于其加工温度相对较低且易于处理，聚合物是 SLS 打印中最常用的材料。这些材料具有多种机械性能，适合各种应用。SLS 打印中广泛使用的一些聚合物包括：

尼龙（聚酰胺）：尼龙因其强度、柔韧性和耐化学性的出色组合而成为 SLS 打印的热门选择。它有多种牌号，例如 PA 11、PA 12 和 PA 6，每种牌号都有其特定的性能和应用。例如，PA 12 以其高抗疲劳性和尺寸稳定性而闻名，使其适用于汽车和航空航天部件。相比之下，PA 11 提供卓越的抗冲击性和柔韧性，使其成为生产运动器材和活动铰链的理想选择，PA 6 由于其高机械强度和耐热性，通常用于汽车工业中的汽车发动机部件等零件。此外，由于其优异的耐用性和食品安全特性，它还用于制造厨房用具等消费品。

热塑性聚氨酯 (TPU)：TPU 是一种高度柔韧和弹性的材料，通常用于 SLS 打印，用于制造需要出色耐磨性和回弹性能的零件。它特别适合生产电子设备的密封件、垫圈和保护壳。TPU 还具有优异的耐油、油脂和各种溶剂性能，使其成为暴露于恶劣化学环境的组件的理想选择。

聚醚酮酮 (PEKK)：PEKK 是一种高性能聚合物，具有卓越的机械、热和化学性能。PEKK 的玻璃化转变温度约为 162°C，熔化温度约为 372°C，可以承受高温并在苛刻的环境中保持其结构完整性。其优异的机械性能和耐化学性使其适用于航空航天、汽车以及石油和天然气工业应用，例如齿轮、支架和发动机部件。

聚醚酰亚胺 (PEI)：PEI 通常以 ULTEM 品牌销售，是一种高性能聚合物，以其优异的尺寸稳定性、高强度重量比以及出色的耐化学性和耐高温性而闻名。PEI 的玻璃化转变温度约为 217°C，适用于需要长期热稳定性的应用，例如电绝缘体、医疗设备和航空航天部件。

在激光烧结中，所得零件的性能受到工艺参数和材料之间相互作用的影响。颗粒几何形状影响部件的粗糙度和孔隙率。较高的粉末密度可提高零件密度、精度和强度，但可能会阻碍材料流动。为了克服这个问题，具有良好流动性的激光烧结粉末由窄尺寸分布的球晶颗粒组成，通常在 d = 60 μm 左右。

聚合物必须能够抵抗热降解，因为它会长时间暴露在高温下。将未熔化的热降解粉末与烧结部件分离以进行潜在的回收利用。理想情况下，粉末不应聚集，从而允许基于重力的分离。施工过程中的老化会改变粉末的性能，需要与高达 50 wt.-% 的新鲜粉末混合，以在后续烧结操作中保持所需的材料性能和最佳性能。

了解 SLS 打印中不同聚合物的特性、优点和局限性对于为特定应用选择合适的材料至关重要。通过利用每种聚合物的独特特性，设计师和工程师可以创建满足各自行业和应用要求的零件。

2. 金属

近年来，金属在 SLS 打印中的使用显著扩大，使得能够为航空航天、汽车和医疗等行业生产高度复杂且耐用的零件。金属SLS打印，也称为选择性激光熔化（SLM）或直接金属激光烧结（DMLS），为制造具有复杂几何形状的轻质高强度部件开辟了新的可能性，而这些部件以前使用传统制造方法是不可能或成本过高的。以下段落概述了 SLS 打印中使用的一些常见金属及其具体属性和应用。

铝：铝是一种轻质金属，具有出色的强度重量比，使其成为航空航天和汽车应用中 SLS 打印的热门选择。AlSi10Mg是一种含有硅和镁的铝合金，由于其良好的机械性能、耐腐蚀性和导热性而经常被使用。SLS 打印的铝部件可用于各种应用，包括发动机部件、热交换器和轻质结构部件。

钛：钛以其高强度、低密度和优异的耐腐蚀性而闻名，使其成为航空航天、医疗和高性能汽车应用中 SLS 打印的理想材料。SLS 打印中最常用的钛合金是 Ti6Al4V，它结合了钛的优点以及铝和钒提供的额外强度和耐热性。SLS 打印的钛部件的示例包括医疗植入物（例如髋关节和膝关节置换物）以及航空航天部件（例如涡轮叶片和结构部件）。

不锈钢：不锈钢是一种多功能且坚固的材料，具有强度、耐腐蚀性和耐磨性的独特组合。在SLS打印中，通常使用316L和17-4PH等不锈钢合金，因为它们具有优异的机械性能和广泛的应用范围。SLS 打印的不锈钢零件广泛应用于汽车、石油和天然气以及消费品等行业，通常用于阀门、齿轮和外壳等部件。

钴铬：钴铬合金具有高强度、耐磨性和生物相容性的特点，使其成为医疗和牙科应用中 SLS 打印的有吸引力的选择。用于 SLS 打印的一种流行的钴铬合金是 CoCrMo，它具有优异的机械性能和耐腐蚀性。SLS 打印的钴铬组件通常用于牙科修复体，例如牙冠和牙桥，以及膝关节和髋关节置换物等骨科植入物。

为 SLS 打印项目选择最合适的金属的过程取决于对应用的具体要求的了解，包括强度、重量、耐腐蚀性和生物相容性等因素。通过了解不同金属固有的特性和优势，工程师和设计师能够做出明智的决策，使他们能够制造出有效满足各自行业严格要求的高性能组件。

3. 陶瓷

陶瓷因其独特的性能（例如耐高温、硬度和生物相容性）而成为一类新兴的 SLS 打印材料。SLS 打印陶瓷可应用于航空航天、电子和医疗设备等行业。本节深入研究 SLS 打印中使用的陶瓷的特性并探讨其一些具体应用。

氧化铝 (Al2O3)：氧化铝也称为氧化铝，由于其卓越的硬度、耐磨性和电绝缘性能，是 SLS 打印中广泛使用的陶瓷材料。氧化铝的熔点约为 2,072°C (3,762°F)，适合高温应用，例如发动机部件和电绝缘体。此外，其优异的生物相容性使其成为医疗和牙科植入物的理想选择。

氧化锆 (ZrO2)：氧化锆或二氧化锆是 SLS 打印中常用的另一种陶瓷材料。氧化锆以其高强度、断裂韧性以及耐磨性和耐腐蚀性而闻名，通常用于需要高机械性能的应用中。其生物相容性和美观性使其成为牙冠和牙桥等牙齿修复的热门选择。此外，氧化锆的低导热率和高温稳定性使其适合高温应用，例如燃气涡轮发动机中的热障涂层。

碳化硅（SiC）：碳化硅是一种陶瓷材料，具有优异的热性能和机械性能，使其适合在需要高强度和耐高温的应用中进行SLS打印。其高导热率和低热膨胀系数使其成为热交换器、燃烧室和其他高温应用的有吸引力的选择。此外，SiC的硬度和耐磨性使其适用于轴承、密封件和切削工具等部件。

羟基磷灰石 (HA)：羟基磷灰石是一种生物陶瓷材料，与人体骨骼的矿物质成分非常相似，使其成为医疗应用中 SLS 打印的理想选择。由于其生物相容性以及促进骨骼生长和组织整合的能力，羟基磷灰石经常用于骨植入物，例如脊柱融合装置和颅板。此外，它可以与聚合物等其他材料相结合，创建具有定制特性的复合结构。

与传统制造方法相比，SLS 陶瓷打印具有多种优势，包括创建复杂几何形状的能力、减少材料浪费以及定制潜力。通过了解各种陶瓷材料的具体属性和应用，设计师和工程师可以充分利用 SLS 打印的功能，开发跨多个行业的创新解决方案。

3D打印工艺——SLS打印技术的应用

汽车领域的产品及结构验证：汽车挡板、后视镜、仪表盘、方向盘、车灯、座椅及把手等。

家用电器领域的产品及结构验证：空调、空气净化器 、挂烫机 、电风扇、饮水机、吸尘器、电吹风、豆浆机等。

机械设备领域的产品及结构验证：卡扣、显示面板、摄像机、实验器材、插座、电动工具、量具、开关等。

工艺品领域的产品及结构验证：手办、学生毕业设计、灯饰、室内装饰品、玩具公仔等。

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