第四章-选择性激光烧结成型工艺详解教学内容
选择性激光烧结原理
选择性激光烧结原理
选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）是一种常用于快速成型的增材制造技术，它通过激光照射粉末材料来实现三维物体的逐层烧结，是一种非常重要的制造技术。
本文将对选择性激光烧结的原理进行详细介绍，包括激光烧结的基本过程、原理及其应用。
激光烧结的基本过程是将一层薄薄的粉末材料铺在工作台上，然后利用激光束逐层扫描并照射在粉末层上，粉末被局部熔化并与下一层粉末烧结在一起，从而形成一个完整的三维物体。
这个过程需要精确控制激光束的位置和功率，以确保粉末能够被正确烧结，同时又不会造成过度烧结或烧结不足的情况。
激光烧结的原理主要是利用激光的高能量来熔化粉末材料，并且在瞬间冷却后形成固态结构。
激光束的能量密度和照射时间是影响烧结质量的关键参数，需要根据材料的特性和所需的物体结构来进行合理的选择。
此外，粉末材料的颗粒大小和分布也会对烧结质量产生影响，因此需要在制备粉末材料时进行精确的控制。
选择性激光烧结技术在实际应用中具有广泛的用途，特别是在制造复杂形状和小批量产品时具有独特的优势。
例如，在航空航天、医疗器械、汽车制造等领域，激光烧结技术都得到了广泛的应用。
由于激光烧结技术可以直接从数字模型中制造出实物，因此在定制化产品的制造中具有很大的潜力。
总的来说，选择性激光烧结技术是一种非常重要的增材制造技术，它通过激光照射粉末材料来实现三维物体的逐层烧结。
激光烧结的原理主要是利用激光的高能量来熔化粉末材料，并且在瞬间冷却后形成固态结构。
这种技术在航空航天、医疗器械、汽车制造等领域具有广泛的应用前景，是一种非常有前景的制造技术。
选择性激光烧结技术(一)
设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护
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HRPMII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。
粉料送粉、铺粉辊
上落粉、刮刀
(5) 气体保护系统
在成形前通入成形腔内的惰性气体（一般为N2或 Ar），可以减少成形材料的氧化降解，促进工作台面 温度场的均匀性。
(6) 预热系统
在SLS成形过程中，为了使粉状材料可靠地烧结，减 小SLS制件的翘曲变形，必须将机器的整个工作空间内直接 参与造型工作的所有机件以及所使用的粉状材料预先加热 到规定的温度，这个温度称为预热温度。预热温度应接近 熔融开始温度但要低于熔点2-3 ℃ 。预热过程常常需要数 小时。
选择性激光烧结技术 （一）
本节知识 点
1
选择性激光烧结技术的基本原理
2
选择性激光烧结技术的设备
3
选择性激光烧结技术的工艺过程
4
选择性激光烧结技术的特点
5 选择性激光烧结技术的材料 6 选择性激光烧结技术的精度
学习重点与难点
重点 难点
1.掌握选择性激光烧结技术的工艺原理。 2.掌握选择性激光烧结技术工艺过程。 1.选择性激光烧结技术的工艺特点。 2.选择性激光烧结技术的应用领域与发展方向。
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。
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。
选择性激光烧结成型技术的工艺与应用
选择性激光烧结成型技术的工艺与应用第一篇：选择性激光烧结成型技术的工艺与应用选择性激光烧结成型技术的研究与应用摘要：介绍了选择性激光烧结成型技术的基本原理、工艺过程和特点，阐述了激光烧结技术的材料和设备的选择，列举了激光烧结技术在各个领域特别是模具制造领域的应用，并且分析了现有技术中存在的问题以及前景的展望。
关键词：快速成型；选择型激光烧结（SLS）；模具制造 1.引言快速原型技术（Rapid Prototyping，PR）是一种涉及多学科的新型综合制造技术。
它是借助计算机、激光、精密传动和数控技术等现代手段，根据在计算机上构造的三位模型，能在很短时间内直接制造产品模型或样品。
快速原型技术改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品的更新换代速度，降低了企业投资新产品的成本和风险。
选择性激光烧结机技术（Selective Laser Sintering，SLS）作为快速原型技术的常用工艺，是利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。
与其他快速成型工艺相比，其最大的独特性是能够直接制作金属制品，而且其工艺比较简单、精度高、无需支撑结构、材料利用率高。
本文主要介绍选择型激光烧结成型技术的基本原理、工艺特点、材料设备选择以及应用等内容。
2.选择性激光烧结技术（SLS）2.1 选择性激光烧机技术（SLS）的基本原理和工艺过程选择性激光烧机技术（SLS）工艺是一种基于离散-堆积思想的加工过程，其成形过程可分为在计算机上的离散过程和在成形机上的堆积过程，简单描述如下：（1）离散过程。
首先用CAD软件，根据产品的要求设计出零件的三维模型，然后对三维模型进行表面网格处理，常用一系列相连三角形平面来逼近自由曲面，形成经过近似处理的三维CAD模型文件。
然后根据工艺要求，按一定的规则和精度要求，将CAD模型离散为一系列的单元，通常是由Z向离散为一系列层面，称之为切片。
然后将切片的轮廓线转化成激光的扫描轨迹。
选择性激光烧结技术讨论
选择性激光烧结技术讨论选择性激光烧结技术讨论1.选择性激光烧结技术（SLS）的发展现状⽬前RP技术的快速成型⼯艺⽅法有⼗多种，主要有：⽴体光固造型（⽴体印刷）SLA；选择性激光烧结SLS；叠层技术LOM；熔融沉积造型FDM ，三维印刷3D-P。
选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering）是发展最快，最为成功且已经商业化的RP⽅法之⼀，采⽤该技术不仅可以制造出精确的模型，还可以成型具有可靠结构的⾦属零件作为直接功能件使⽤。
由于其具有诸多优点，如粉末选材⼴泛、适⽤性，可直接烧结零件等，因此在现代制造中受到越来越⼴泛的重视。
SLS技术最初是由美国德克萨斯⼤学奥斯汀分校于1989年提出的。
后来美国DTM公司于1992年推出该⼯艺的商品化⽣产设备。
⼏⼗年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了⼤量研究⼯作，在设备研制和⼯艺、材料开发上取得了丰硕的成果。
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。
在国内，很多单位进⾏了SLS的相关研究⼯作，如华中科技⼤学、南京航空航天⼤学、西北⼯业⼤学、华北⼯学院和北京隆源⾃动成型有限公司等也取得了许多重⼤成果。
如北京隆源⾃动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型的商品化设备。
如果从烧结⽤材料的特性来划分，选择性激光技术的发展可分为两个阶段：⼀是⽤SLS技术烧结低熔点的材料来制造原型。
⽬前的烧结设备和⼯艺⼤多处于这⼀阶段。
所使⽤的材料是塑料、尼龙、⾦属或者陶瓷的包⾐粉末）（或于聚合物的混合物）；⼆是⽤SLS技术直接烧结⾼熔点的材料来制造零件2. 选择性激光烧结技术的研究内容选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)是20世纪80年代末出现的⼀种快速成型新⼯艺—利⽤激光束烧结粉末材料分层加⼯制造技术。
零件的三维描述被转化为⼀整套切⽚，每个切⽚描述确定⾼度的零件横截⾯。
采⽤激光束对粉末状的成型材料进⾏分层扫描，受到激光束照射的粉末被烧结。
选择性激光烧结(SLS)
3D打印技术 —选择性激光烧结
旅顺职业中专
李建新
授课内容
01 选择性激光烧结技术介绍 02 选择性激光烧结技术发展 03 选择性激光烧结技术应用
01 PART ONE 选择性激光烧结技术
1、SLS打印技术
SLS打印技术概念：
选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering, SLS），主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基 本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然 后逐层烧结堆积成型
华曙高科通过3D打印SLS技 术，为某汽车生产的车用空 调总成的部件原型件产品， 节省了磨具，修复等环节， 大大节省了时间，以前使用 CNC机床制造磨具，大概需 要14天时间，使用3D打印 后仅需要4天时间就可以交 付产品，单次打印的费用是 开模费用的10%
华曙高科与武汉萨普科技股份有限公司合作，采用连续增材制造解决方案建造 时间仅用10小时，将长度近1米、结构复杂的汽车空调HVAC壳体一体成型，且 其强度、精度完全符合技术标准。
02 选择性激光烧结技术发展 PART TWO
2、激光烧结技术发展
选择性激光烧结工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl R. Deckard 于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R.Dechard创立了DTM公司，并于1992年 发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。
选择性激光烧结快速成形技术
选择性激光烧结快速成形技术摘要：选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下，能吸收能量。
发生熔融固化，从而完成层信息的成型。
这种方法适用的材料范围广(适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末)，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点，有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。
本文就SLS的原理，优点，以及使用材料的发展做了简要概括，并对金属粉末的进行了重点讨论。
关键字：SLS，原理，材料，金属粉末目录前言 (1)1 选择性激光烧结快速成形技术的应用 (1)2 选择性激光烧结快速成形技术原理 (2)2.1 基本工作原理 (2)2.2 SLS快速成形技术工艺流程 (4)2.3 SLS烧结机理 (4)3SLS技术的特点 (5)4 中北大学SLS方面的成果 (6)5 选择性激光烧结用原材料 (6)5.1 金属材料 (7)5.2 聚合物材料 (8)5.3 陶瓷材料 (8)5.4 新型SLS原料的研制-木塑复合材料 (8)6 金属粉末选择性激光烧结(SLS)技术 (8)6.1 间接法 (9)6.2 直接法 (10)6.3 金属粉末SLS存在的问题 (11)6.4 金属粉末SLS发展趋势 (12)总结 (12)参考文献 (14)前言选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术(简称SLS技术)1989年由美国C.R Decard申请专利，DTM公司推向市场，之后因为具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点，得到了迅速的发展，受到越来越多的重视。
选择性激光烧结(SLS)也可被称为选区激光烧结，它跟其它的快速成型工艺一样，加工原理也是离散-堆积成型原理。
其以Nd:YAG或CO2激光发射器为加工能源，利用计算机来控制激光束对加工材料（包括高分子材料、金属粉末、预合金粉末材料及纳米材料等）按设定的速度并调整合适的激光能量密度并根据切片截面轮廓的二维数据信息进行烧结，层层堆积，全部烧结完后去掉周围多余的粉末, 再对烧结件进行打磨、烘干等一系列后处理操作便可以获得零件。
SLS技术的成形工艺原理(知识参考)
一、实验名称：选择性激光烧结快速成型工艺实验SLS成型技术开辟了不用任何刀具而迅速制作各类零件的途径，并为用传统方法不能或难于制造的零件或模型提供了一种崭新的制造手段，SLS技术的特点归纳起来主要有以下几点：（1）过程与零件复杂程度无关，是真正的自由制造，这是传统方法无法比拟的。
SLS 与其它RP不同，不需要预先制作支架，未烧结的松敞粉末作为自然支架，SLS可以成型几乎任意几何形状的零件，对具有复杂内部结构的零件特别有效。
（2）技术的高度集成，它是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综合集成。
（3）生产周期短，由于该技术是建立在高度集成的基础上，从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，这一特点使其特别适合于新产品的开发。
（4）与传统工艺方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件输出等功能，为传统制造方法注入新的活力。
（5）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发或单件、小量零件的生产。
（6）材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。
特别是可以制造金属零件。
这使SLS工艺颇具吸引力。
成型材料是SLS 技术发展和烧结成功的一个关键环节,它直接影响成型件的成型速度、精度和物理、化学性能，影响成型工艺和设备的选择以及成型件的综合性能。
因此，国内外有许多公司和研究单位加强了这一领域的研究工作,并且取得了重大进步。
从理论上讲任何受热粘结的粉末都有被用作 SLS 原材料的可能性。
原则上这包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合材料。
目前SLS材料主要有塑料粉（PC、PS、ABS）、蜡粉、金属粉、表面覆有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等。
（7）应用面广，由于成型材料的多样化，使得SLS 适合于多种应用领域，如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。
（8）高精度，依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，该工艺一般能够达到工件整体范围内±（0.05-2.5）mm 的公差。
选择性激光烧结(SLS)的后处理PPT资料优秀版
覆膜金属粉末材料烧结后处理
覆膜金属粉末材料烧结后处理
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。 HIP）是通过流体介质将高温和高压同时均
覆膜金属粉末材料烧结后处理
熔当浸混匀过 合程物地依完作靠全金冷用属却在液后在，置毛要于细小作心密用地闭下将润成容湿型器坯工件件中，从的液粉态末坯金中体属取沿出表着并面颗将粒粉，间末从的吹孔掉隙；流动，知道完全填充孔隙为止。
其中，脱脂降解是通过加热、保温去除坯体中的黏结剂。
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陶瓷粉末材料烧结后处理
在SLS 陶瓷粉末成型坯体后，后处理工艺一般分为3 个阶段: 脱脂 降解黏结剂、高温烧结和熔渗或热等静压烧结。其中，脱脂降解是通 过加热、保温去除坯体中的黏结剂。
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经过浸渍处理的制件尺寸变化很小。 单组元金属粉末材料通常采用直接烧结成型，主要采用的后处理工艺方法为：熔渗或浸渍，热等静压。 激光选择性烧结常用的后处理
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热等静压
覆膜金属粉末材料烧结后处理 为保证冷却均匀，在最后一层完成之后，还要覆盖粉末层用来保温。
热激等光静 选压择处性热理烧可结等以常静使用制的压件后（非处常理H致o密t ，Is但o零st件a的ti收c缩P也r比es较s大in。g，
如果炉内温度梯度分布不均匀，可能造成制件各个方向的收缩不一致而导致制件翘曲变形，在应力集中点还会使制件产生裂纹和分层
单组元金属粉末材料烧结后处理 所以，经过熔浸处理的零件基本上不产生收缩，得到的零件密度高、强度大、尺寸变化小。
浸渍和熔浸类似，不同之处在于使用的浸入物是液态非金属物质（通常是高分子聚合物树脂）。 覆膜金属粉末材料烧结后处理 但是高温烧结后由于内部孔隙减少会导致体积收缩，影响制件的尺寸精度。
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第四章 选择性激光烧结成型工艺
1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 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 5 选择性激光烧结工艺参数
6
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
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
表4-4 部分DuraForm系列粉末材料及性能
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
表4-5 DTM公司开发的部分金属粉末及树脂砂材料及性能
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
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。
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
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
（1）硬件方面
扫描系统 激光器
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
采用美国CO2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
表4-6 EOS公司开发的部分粉末材料及性能
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
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。 表4-7 国内各单位开发的SLS用成型材料
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
2.选择性激光烧结快速成型设备
研究选择性激光烧结（SLS）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。
1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 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 5 选择性激光烧结工艺参数
6第二节 选择性激光烧结源自材料及设备1.选择性激光烧结快速成型材料
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。
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
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
（2）软件方面 独自开发的功能强大的HRPS’2002软件，有如下特点：
切片模块 数据处理 工艺规划
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
图4-3 DTM公司的Sinterstation2500机型
图4-4 DTM公司的Sinterstation2500 Plus机型
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
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。
图4-5 HRPS-IIIA激光粉末烧结快速成型机
◎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。近 年来，已经开发并被应用于SLS粉末激光烧结快速原型制作的材料种类如表4-2所示。
表4-2 常用的SLS工艺的材料
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。
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。
第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
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。
选择性激光烧结加工过程是采用
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
图4-1 选择性激光烧结工艺原理图
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
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
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
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。
图4-2 选择性激光烧结系统的基本组成
第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
2.选择性激光烧结工艺的特点
优点：
◎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
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
第四章 选择性激光烧结成型工艺
第二节 选择性激光烧结的材料及设备
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，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，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4-3 DTM公司开发的部分SLS用成型材料