物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中3D打印工藝——SLS（選擇性激光燒結(jié)）工藝

3D打印工藝——SLS打印技術(shù)簡介

工藝全稱：

選擇性激光燒結(jié)，其工作原理是借助紅外激光在高溫下進行粉末燒結(jié)材料，并以逐層堆積的方式成型三維零件的一種快速成型技術(shù)。

工藝過程：

3D打印機內(nèi)設(shè)有一個平臺，材料粉末平鋪在平臺上，并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度，平臺上方控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廊在粉層上掃描，使粉未的溫度升到熔化點，進行燒結(jié)并與下面已成型的部分實現(xiàn)粘結(jié)。完成一層后，工作臺下降一層厚度，鋪料輥在上面鋪上一層均勻密實粉末，進行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個模型。

3D打印工藝——SLS工藝的特點

優(yōu)點：

1、出貨速度快，SLS打印，無需支撐結(jié)構(gòu)，無需著色處理，清粉后就可以出貨。

2、精度，SLS精度可以保持在正負0.2MM左右，可做產(chǎn)品外殼驗證。

3、無需支撐，層疊過程中的懸空層可由未燒結(jié)的粉末來支撐，無需拆支撐，所以表面無支撐麻點。

4、材料利用率高，未燒結(jié)的粉末可重復(fù)利用，所以相當(dāng)價格要便宜一些。

5、可加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括鏤空結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)。制件強度高。

缺點：

SLS工藝有一定的優(yōu)勢，當(dāng)然也會有一些劣勢：

1、打印成品收縮，尼龍和其他材料在燒結(jié)成型之后，會有一定的收縮。收縮率因素很多，例如常見冷卻過程、粉末類型和燒結(jié)激光能量。

2、表面顆粒感 ，粉末顆粒燒結(jié)成型的結(jié)果，表面會存在顆粒感，以及成型層紋。

3、加工和材料損耗， SLS打印機損耗巨大，打印時打印腔室需持續(xù)提供惰性氣體，保持恒溫，能耗大。單次打印，設(shè)備需要投入數(shù)倍的打印材料，特別是工業(yè)級設(shè)備。

4、每次打印需要新鮮粉末， SLS打印機成型后剩余粉末，有些因高溫導(dǎo)致粉末損壞，無法使用，需要篩除，添加新粉混合打印。

3D打印工藝——SLS打印技術(shù)主要的使用材料

選擇性激光燒結(jié)（SLS），是3D打印技術(shù)的一種，屬于快速成型技術(shù)。選擇性激光燒結(jié)是以粉末材料為耗材，利用紅外激光為熱源，通過激光高溫?zé)Y(jié)粉末材料，當(dāng)一層截面燒結(jié)完成后，底板配合下移，再燒結(jié)新一層截面，以逐層堆積方式形成三維產(chǎn)品。

選擇性激光燒結(jié)工藝可采用多種材料粉末作為加工原料，理論上來講，任何加熱后可粘結(jié)的粉末材料都可使用，材料來源范圍廣是選擇性激光燒結(jié)工藝的突出優(yōu)點?，F(xiàn)階段，選擇性激光燒結(jié)工藝可應(yīng)用的粉末材料主要是聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龍、石蠟、石膏、金屬、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等，其中，高分子聚合物材料是主要應(yīng)用類型，尼龍應(yīng)用需求量最大，占比達到90%左右。

1. 聚合物

由于其加工溫度相對較低且易于處理，聚合物是 SLS 打印中最常用的材料。這些材料具有多種機械性能，適合各種應(yīng)用。SLS 打印中廣泛使用的一些聚合物包括：

尼龍（聚酰胺）：尼龍因其強度、柔韌性和耐化學(xué)性的出色組合而成為 SLS 打印的熱門選擇。它有多種牌號，例如 PA 11、PA 12 和 PA 6，每種牌號都有其特定的性能和應(yīng)用。例如，PA 12 以其高抗疲勞性和尺寸穩(wěn)定性而聞名，使其適用于汽車和航空航天部件。相比之下，PA 11 提供卓越的抗沖擊性和柔韌性，使其成為生產(chǎn)運動器材和活動鉸鏈的理想選擇，PA 6 由于其高機械強度和耐熱性，通常用于汽車工業(yè)中的汽車發(fā)動機部件等零件。此外，由于其優(yōu)異的耐用性和食品安全特性，它還用于制造廚房用具等消費品。

熱塑性聚氨酯 (TPU)：TPU 是一種高度柔韌和彈性的材料，通常用于 SLS 打印，用于制造需要出色耐磨性和回彈性能的零件。它特別適合生產(chǎn)電子設(shè)備的密封件、墊圈和保護殼。TPU 還具有優(yōu)異的耐油、油脂和各種溶劑性能，使其成為暴露于惡劣化學(xué)環(huán)境的組件的理想選擇。

聚醚酮酮 (PEKK)：PEKK 是一種高性能聚合物，具有卓越的機械、熱和化學(xué)性能。PEKK 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為 162°C，熔化溫度約為 372°C，可以承受高溫并在苛刻的環(huán)境中保持其結(jié)構(gòu)完整性。其優(yōu)異的機械性能和耐化學(xué)性使其適用于航空航天、汽車以及石油和天然氣工業(yè)應(yīng)用，例如齒輪、支架和發(fā)動機部件。

聚醚酰亞胺 (PEI)：PEI 通常以 ULTEM 品牌銷售，是一種高性能聚合物，以其優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、高強度重量比以及出色的耐化學(xué)性和耐高溫性而聞名。PEI 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為 217°C，適用于需要長期熱穩(wěn)定性的應(yīng)用，例如電絕緣體、醫(yī)療設(shè)備和航空航天部件。

在激光燒結(jié)中，所得零件的性能受到工藝參數(shù)和材料之間相互作用的影響。顆粒幾何形狀影響部件的粗糙度和孔隙率。較高的粉末密度可提高零件密度、精度和強度，但可能會阻礙材料流動。為了克服這個問題，具有良好流動性的激光燒結(jié)粉末由窄尺寸分布的球晶顆粒組成，通常在 d = 60 μm 左右。

聚合物必須能夠抵抗熱降解，因為它會長時間暴露在高溫下。將未熔化的熱降解粉末與燒結(jié)部件分離以進行潛在的回收利用。理想情況下，粉末不應(yīng)聚集，從而允許基于重力的分離。施工過程中的老化會改變粉末的性能，需要與高達 50 wt.-% 的新鮮粉末混合，以在后續(xù)燒結(jié)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、優(yōu)點和局限性對于為特定應(yīng)用選擇合適的材料至關(guān)重要。通過利用每種聚合物的獨特特性，設(shè)計師和工程師可以創(chuàng)建滿足各自行業(yè)和應(yīng)用要求的零件。

2. 金屬

近年來，金屬在 SLS 打印中的使用顯著擴大，使得能夠為航空航天、汽車和醫(yī)療等行業(yè)生產(chǎn)高度復(fù)雜且耐用的零件。金屬SLS打印，也稱為選擇性激光熔化（SLM）或直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），為制造具有復(fù)雜幾何形狀的輕質(zhì)高強度部件開辟了新的可能性，而這些部件以前使用傳統(tǒng)制造方法是不可能或成本過高的。以下段落概述了 SLS 打印中使用的一些常見金屬及其具體屬性和應(yīng)用。

鋁：鋁是一種輕質(zhì)金屬，具有出色的強度重量比，使其成為航空航天和汽車應(yīng)用中 SLS 打印的熱門選擇。AlSi10Mg是一種含有硅和鎂的鋁合金，由于其良好的機械性能、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性而經(jīng)常被使用。SLS 打印的鋁部件可用于各種應(yīng)用，包括發(fā)動機部件、熱交換器和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件。

鈦：鈦以其高強度、低密度和優(yōu)異的耐腐蝕性而聞名，使其成為航空航天、醫(yī)療和高性能汽車應(yīng)用中 SLS 打印的理想材料。SLS 打印中最常用的鈦合金是 Ti6Al4V，它結(jié)合了鈦的優(yōu)點以及鋁和釩提供的額外強度和耐熱性。SLS 打印的鈦部件的示例包括醫(yī)療植入物（例如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換物）以及航空航天部件（例如渦輪葉片和結(jié)構(gòu)部件）。

不銹鋼：不銹鋼是一種多功能且堅固的材料，具有強度、耐腐蝕性和耐磨性的獨特組合。在SLS打印中，通常使用316L和17-4PH等不銹鋼合金，因為它們具有優(yōu)異的機械性能和廣泛的應(yīng)用范圍。SLS 打印的不銹鋼零件廣泛應(yīng)用于汽車、石油和天然氣以及消費品等行業(yè)，通常用于閥門、齒輪和外殼等部件。

鈷鉻：鈷鉻合金具有高強度、耐磨性和生物相容性的特點，使其成為醫(yī)療和牙科應(yīng)用中 SLS 打印的有吸引力的選擇。用于 SLS 打印的一種流行的鈷鉻合金是 CoCrMo，它具有優(yōu)異的機械性能和耐腐蝕性。SLS 打印的鈷鉻組件通常用于牙科修復(fù)體，例如牙冠和牙橋，以及膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換物等骨科植入物。

為 SLS 打印項目選擇最合適的金屬的過程取決于對應(yīng)用的具體要求的了解，包括強度、重量、耐腐蝕性和生物相容性等因素。通過了解不同金屬固有的特性和優(yōu)勢，工程師和設(shè)計師能夠做出明智的決策，使他們能夠制造出有效滿足各自行業(yè)嚴格要求的高性能組件。

3. 陶瓷

陶瓷因其獨特的性能（例如耐高溫、硬度和生物相容性）而成為一類新興的 SLS 打印材料。SLS 打印陶瓷可應(yīng)用于航空航天、電子和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)。本節(jié)深入研究 SLS 打印中使用的陶瓷的特性并探討其一些具體應(yīng)用。

氧化鋁 (Al2O3)：氧化鋁也稱為氧化鋁，由于其卓越的硬度、耐磨性和電絕緣性能，是 SLS 打印中廣泛使用的陶瓷材料。氧化鋁的熔點約為 2,072°C (3,762°F)，適合高溫應(yīng)用，例如發(fā)動機部件和電絕緣體。此外，其優(yōu)異的生物相容性使其成為醫(yī)療和牙科植入物的理想選擇。

氧化鋯 (ZrO2)：氧化鋯或二氧化鋯是 SLS 打印中常用的另一種陶瓷材料。氧化鋯以其高強度、斷裂韌性以及耐磨性和耐腐蝕性而聞名，通常用于需要高機械性能的應(yīng)用中。其生物相容性和美觀性使其成為牙冠和牙橋等牙齒修復(fù)的熱門選擇。此外，氧化鋯的低導(dǎo)熱率和高溫穩(wěn)定性使其適合高溫應(yīng)用，例如燃氣渦輪發(fā)動機中的熱障涂層。

碳化硅（SiC）：碳化硅是一種陶瓷材料，具有優(yōu)異的熱性能和機械性能，使其適合在需要高強度和耐高溫的應(yīng)用中進行SLS打印。其高導(dǎo)熱率和低熱膨脹系數(shù)使其成為熱交換器、燃燒室和其他高溫應(yīng)用的有吸引力的選擇。此外，SiC的硬度和耐磨性使其適用于軸承、密封件和切削工具等部件。

羥基磷灰石 (HA)：羥基磷灰石是一種生物陶瓷材料，與人體骨骼的礦物質(zhì)成分非常相似，使其成為醫(yī)療應(yīng)用中 SLS 打印的理想選擇。由于其生物相容性以及促進骨骼生長和組織整合的能力，羥基磷灰石經(jīng)常用于骨植入物，例如脊柱融合裝置和顱板。此外，它可以與聚合物等其他材料相結(jié)合，創(chuàng)建具有定制特性的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)制造方法相比，SLS 陶瓷打印具有多種優(yōu)勢，包括創(chuàng)建復(fù)雜幾何形狀的能力、減少材料浪費以及定制潛力。通過了解各種陶瓷材料的具體屬性和應(yīng)用，設(shè)計師和工程師可以充分利用 SLS 打印的功能，開發(fā)跨多個行業(yè)的創(chuàng)新解決方案。

3D打印工藝——SLS打印技術(shù)的應(yīng)用

汽車領(lǐng)域的產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)驗證：汽車擋板、后視鏡、儀表盤、方向盤、車燈、座椅及把手等。

家用電器領(lǐng)域的產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)驗證：空調(diào)、空氣凈化器 、掛燙機 、電風(fēng)扇、飲水機、吸塵器、電吹風(fēng)、豆?jié){機等。

機械設(shè)備領(lǐng)域的產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)驗證：卡扣、顯示面板、攝像機、實驗器材、插座、電動工具、量具、開關(guān)等。

工藝品領(lǐng)域的產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)驗證：手辦、學(xué)生畢業(yè)設(shè)計、燈飾、室內(nèi)裝飾品、玩具公仔等。

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審核編輯 黃宇