第3章 选区激光烧结工艺及材料
激光选区熔化成形技术的工艺流程
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基于选择性激光烧结聚苯乙烯基复合材料的实验研究
科学技术创新2021.30基于选择性激光烧结聚苯乙烯基复合材料的实验研究
王凡（宝鸡合力叉车有限公司，陕西宝鸡721001）
随着现代制造工业技术的不断发展，传统的减材制造在某些领域中已经不能满足其发展的需求，因此基于三维数据模型的增材制造技术在近年来得到了快速的发展与进步[1]。其中选择性激光烧结技术（SLS）作为应用最为广泛的增材制造技术之一，其利用高能激光束的作用在三维数据模型的驱动下进行选择性的激光烧结可熔性的粉末材料，层层累加，从而完成相关零部件的制作[2]；在众多的选用材料中，聚苯乙烯及聚苯乙烯基复合材料因其成本低廉、制备工艺简单等优势在一定程度上得到了广泛的应用，例如常见的聚苯乙烯/碳纤维（PS/CF）、聚苯乙烯/玻璃纤维（PS/GF）、聚苯乙烯/芳纶纤维（PS/AF）、聚苯乙烯/聚乙烯（PS/PE）、聚苯乙烯/聚碳酸酯（PS/PC）等[3]；而基于SLS工艺的快速熔模铸造技术因其铸造精度高、铸件质量优以及材料利用率高等优势在铸造领域得到了广泛的应用，但其对于铸造模型的灼烧灰分残余的要求相对较高，一般要求不高于0.6%，因此在使用SLS工艺进行模型的制作时必须将其作为重要的衡量指标[4]。基于以上原因，本文基于SLS工艺对聚苯乙烯及聚苯乙烯基复合材料的成型过程及成型质量进行了研究，最终得出适合于快速熔模铸造的聚苯乙烯基复合材料。1实验1.1实验材料在材料的选用方面主要涉及以下两方面：首先是用来制备复合材料的基本材料的选用，该部分材料均为符合使用要求的基体材料与填料；其次是通过相关制备方式得到的均苯乙烯基复合材料。1.1.1基本材料聚苯乙烯：粒径75μm，3D打印专用型，深圳特
摘要：为了进一步探究选择性激光烧结工艺在快速熔模铸造领域中的应用前景，本文基于选择性激光烧结技术（SLS），以成型件的成型精度和成型强度作为衡量指标，对于聚苯乙烯基复合材料的SLS成型性能进行了研究，同时通过高温烧灼对各材料成型件的灰分残余量进行了测试。结果表明，在众多的聚苯乙烯基复合材料中PS/GF、PS/CF复合材料的成型精度最为优良，PS/AF复合材料的成型强度最为优良，而对于成型件的烧灼灰分残余而言，PS、PS/PE、PS/PC三种复合材料基本相当。
激光烧结技术的打印原理
激光烧结技术的打印原理激光烧结技术是一种高精度、高效率的三维打印技术，其打印原理是利用激光器将粉末材料烧结在一起，形成一个3D物体。
该技术的主要特点是能够制造出复杂的形状和精细的结构，同时无需使用支撑结构，可以大大提高打印效率和产品准确度。
激光烧结技术的打印原理主要是通过激光束对烧结粉末进行加热和熔化，将粉末熔化成固体的形状，然后通过粉末层之间的粘结力将它们与下面的层结合在一起，从而形成一个三维物体。
这个过程可以让人们在不使用支撑结构的情况下打印复杂的形状和结构。
激光烧结技术的打印过程分为三个步骤：建模、准备和打印。
第一步是建模。
将3D CAD文件转换为可供激光烧结机使用的STL文件。
这个过程包括重新进行建模，以确保文件是可打印的。
第二步是准备过程。
这个过程主要包括准备烧结装备和烧结粉末。
烧结装备包括激光烧结机、激光头、平台和热源等部件。
而烧结粉末则包括聚合物、金属、陶瓷等多种类型的材料，可以根据不同的需求进行选择。
第三步是打印过程。
在这个过程中，激光头会按照CAD文件中的指令进行运动，并在所需位置进行激光照射。
当激光照射到粉末上时，粉末将会被加热并融化，形成一个薄层。
这个过程会重复进行多次，每一层的厚度可以根据需要进行设置。
每个烧结粉末的颗粒都会接触并粘在下面的烧结粉末上，这样便可以形成一个坚实的物体。
当打印完成后，需要进行后续处理，如去除多余的粉末和加热物体以确保其完全烧结。
激光烧结技术在制造业中具有广泛的应用，可用于汽车和医学设备的制造及航空航天等领域。
其高精度和高效率使其成为当今最流行的3D打印技术之一。
第二章 快速成型制造工艺--III
后处置
激光烧结后的PS原型 件，强度很弱，需求依据 运用要求停止渗蜡或渗树 脂等停止补强处置。由于 该原型用于熔模铸造，所 以停止渗蜡处置。渗蜡后 的该铸件原型如下图。
某铸件经过渗蜡处置的SLS原型
ξ2 快速成型制造工艺
〔二〕金属零件直接烧结工艺
模具工程技术研讨中心 METRC
在普遍运用的几种快速原型技 术方法中，只要SLS工艺可以直 接或直接的烧结金属粉末来制造 金属材质的原型或零件。金属零 件直接烧结工艺运用的资料为混 合有树脂资料的金属粉末资料， SLS工艺主要完成包裹在金属粉 粒外表树脂资料的粘接。基于 SLS方法直接金属零件的制造工 艺进程如下图。由图中可知，整 个工艺进程主要分三个阶段：一 是SLS原型件〔〝绿件〞〕的制 造，二是粉末烧结件〔〝褐件〞〕 的制造，三是金属溶渗后处置。
和LOM工艺一样，SLS工艺也无需设计和需求支撑结构， 叠层进程中出现的悬空层面可直接由未烧结的粉末来完成支撑。
ξ2 快速成型制造工艺
模具工程技术研讨中心 METRC
资料应用率高
由于SLS工艺进程不需求支撑结构，也不象LOM工艺那样 出现许多工艺废料，也不需求制造基底支撑，所以该工艺方法 在罕见的几种快速原型工艺中资料应用率是最高的，资料的应 用率但基是本，可选择以性以激为光是烧1结0工0％艺的。缺SL陷S也工比艺拟中突出的，少详数细粉如末下：的价钱较 廉原价型，外所表以粗SL糙S模型的本钱相比拟来看也是较低的。
四、高分子粉末烧结件的后处置
模具工程技术研讨中心 METRC
高分子粉末资料烧结件的后处置工艺主要有渗树脂和渗蜡两种。当原 型件主要用于融模铸造的消逝型时，需求停止渗蜡处置。当原型件为了提 高强硬性目的时，需求停止渗树脂处置。
选择性激光烧结技术的研究现状与展望
选择性激光烧结技术的研究现状与展望【摘要】选择『生激光加工是20世纪80年代末出现的一种新的快速成型工艺，它利用激光束烧结粉末材料制造原型，具有原料广泛、制作工艺简单、周期短等特点，在诸多领域得到了广泛的应用。
介绍了选择性激光烧结技术的原理、特点及实际应用，综述了选择}生激光烧结技术发展状况、存在的问题及研究热点。
键词：快速成形；选择性激光烧结；综述1引言20世纪90年代开始，随着世界经济竞争的日益激烈化和全球化，产品制造商们越来越需要以最短的时间制造出符合人们消费需求的新产品来抢占市场。
20世纪80年代末出现的快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)就是在这样的背景下提出并逐步得以发展的。
RP技术是一种逐层零件制造工艺，它突破传统的材料变形成型和去除材料成型的工艺方法，使用近乎全自动化的工艺从CAD文件直接生产所需要的模型或模具，可以显著减少产品原型的开发时间和成本，极大的提高产品的质量，另外，RP制造过程中不需要任何传统意义上的工装夹具、刀具或模具即可制造出任何复杂形状的零部件。
因此。
RP技术在现代制造业巾越来越具有竞争力，有望成为21世纪的的主流制造技术。
目前典型的快速成型的方法有：光固化立体造型SLA(StereoLithography Apparatus)、分层物件制作LOM(Laminated ObjectManufacturing)、选择性激光烧结SIS(Selective LArSintering)和熔融沉积造型FDM(Fused Deposition Modeling)等。
各种RP方法具有其自身的特点和适用范围。
由于SIS工艺具有粉末选材广泛、适用性广、制造工艺比较简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结零件等诸多优点，在现代制造业得到越来越广泛的重视。
主要综述SIS技术的工艺原理、实际应用、发展历程和现状。
2 SLS技术的原理选择性激光加工(SLS)又称选区激光烧结是以C02激光器为能源，利用计算机控制红外激光束对非金属粉末、金属粉末或复合物的粉末薄层，以一定的速度和能龟密度按分层面的二维数据进行扣描烧结，层层堆积，最后形成成形件。
激光选区烧结技术的研究现状及应用进展
激光选区烧结技术的研究现状及应用进展文世峰;季羡泰【摘要】激光选区烧结作为3D打印技术的一种,具有操作简单、成形材料广泛、成形精度高等优点,被广泛应用于航空航天、生物医疗等领域的快速成形与制造.本研究简要介绍激光选区烧结技术的原理与特点,分析近年来在设备、材料与应用等方面的发展现状及发展趋势.【期刊名称】《苏州市职业大学学报》【年(卷),期】2018(029)001【总页数】7页(P26-31,71)【关键词】增材制造;3D打印;激光选区烧结;高分子材料【作者】文世峰;季羡泰【作者单位】华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TP29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。
选择性激光烧结技术
选择性激光烧结技术
佚名
【期刊名称】《军民两用技术与产品》
【年(卷),期】2014(0)5
【摘要】一、项目概述湖南华曙高科技有限责任公司（简称＂华曙高科＂）开发的选择性激光烧结（SLS）工艺成型过程是：将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面,并刮平;用高强度CO2激光器在铺洒的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度激光照射下烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成型部分粘接;当一层截面烧结完成后,再铺上新的一层材料粉末,选择性地烧结下层截面。
其原理是预先在工作台上铺洒粉末材料,激光在计算机控制下,按照界面轮廓信息,对粉末进行选择性烧结,然后不断循环,层层堆积成型。
【总页数】1页(P26-26)
【关键词】选择性激光烧结技术;粉末材料;成型零件;CO2激光器;计算机控制;选择性烧结;成型过程;激光照射
【正文语种】中文
【中图分类】TS65
【相关文献】
1.选择性激光烧结技术原材料及技术发展研究 [J], 杨洁;王庆顺;关鹤
2.选择性激光烧结技术在汽车空调试验领域的应用 [J], 周旭;岳双成
3.问：激光选择性烧结的特点是什么？应用激光选择性烧结技术对纳米粉末进行烧结其效果如何？ [J], 艾华
4.选择性激光烧结技术的应用及其烧结件后处理研究进展 [J], 吴芬;邹义冬;林文松
5.间接选择性激光烧结与选择性激光熔化对比研究 [J], 鲁中良;史玉升;刘锦辉;陈英;黄树槐
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高分子材料在选区激光烧结中的研究和应用现状
２０ 年 １ ０６ ２月
高分子材料在选 区激光烧结 中的研究和应用 现状
２ ５
高 分 子 材 料 在 选 区激 光 烧 结 中的 研 究 和 应 用 现 状
肖慧 萍ｔ 曹家庆 范红 青 余 欢 梁红 波
（ ． 昌航空工业学 院材料学 院， １南 江西南 昌 ３０６ ； ３０ ３
性粘结剂的粉末都能用作 Ｓ 材料。Ｓ 材料要有 良 Ｓ Ｉ Ｓ Ｉ 好的热固（ 性、 熔） 一定的导热性， 粉末经激光烧结后要
有足够的粘结强度 ， 材料 的粒 度不 宜过大 ， 径 粉末 其粒
一
求一般加入助分解助荆， 但聚苯乙烯模的脱出困难 ， 必
须采用高温燃烧 法 ， 造成 了环 境污染 ， 以在 国外 已很 所 少使用 。在 国内 ， 由于其 成本 低廉 ， 目前使 用最 为 广 是
般要求小于 ０ ０ｍ ．５ ｍ一 ．５ ｍ， ０ １ｍ 否则会 降低成型精
度。高分子材料在 Ｓ 中现已得到应用 的有 ： Ｓ Ｉ 热塑性高
分 子材料 ， 固性 高分 子 材料 。 热 高分 子材 料 与金 属、 陶
Hale Waihona Puke 泛的一种成 型 材料 。如华 中科 技 大学 、 北京 隆 源 自动
成型有限公 司 、 北京 航 空航 天 大学 及华 北 工学 院 均 有
传统 的熔 模精铸用蜡 （ 烷烃蜡 、 肪酸 蜡等 ） 由于 脂 ， 蜡模强度较 低 ， 以满 足 精 细 、 难 复杂 结构 的铸 件要 求 ，
且成型精度差， 烧结时熔融流动性大 ， 使成型不易控
制 ， 末 的 制备 十 分 困 难 等 缺 点 ， 以广 泛 应 用 。 且粉 难 Ｄ Ｍ公 司研制了低 熔 点高 分子 蜡 的复 合 材料 ， 替 实 Ｔ 代 际意义 上的蜡 粉 ， 种 复合 蜡粉 成 型模 强度 明 显 比蜡 这
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3.4 成型材料
SLS技术是一种基于粉床的增材制造技术，以粉末作为成型 材料，所使用的成型材料十分广泛，从理论上讲，任何被激光加 热后能够在粉粒间形成原子间连接的粉末材料都可以作为SLS的 成型材料。但是粉末材料的特性对SLS制件的性能影响较大，其 中粒径、粒径分布及形状等最为重要。
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造的原型; ➢ EOSINTM用于金属粉末的直接烧结，制造金属模具和金属零件; ➢ EOSINTS用于直接烧结树脂砂，制造复杂的铸造砂型和砂芯。
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3.1 概述
3D Systems iPro系列SLS
EOS FORMIGA P 110 激光粉末烧结系统
烧结过程中能量给予过程示意图
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3.2.1 成型原理
直接法
金属粉末为单一的金 属组元。直接法得到 的零件再经热等静压 烧结工艺处理，可使 零件的最终相对密度 达99.9%，但直接法 的主要缺点是工作速 度比较慢。
间接法
金属粉末实际上是一 种金属组元与有机粘 结剂的混合物，有机 粘结剂的含量约为 1%。烧结后的零件 孔隙率约达45%，强 度也不是很高，需要 进一步加工。
3.4.2 成型材料分类
工程塑料 聚苯乙烯
单分布球形粉末的正交堆积
单粉末堆积与复合粉末堆积
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3.4.1 粉末特性
特性3 粉末颗粒形状
规则的球形粉末具有更好的流动性，铺粉效果更好，成型精度 比不规则粉末高。
不同制备方法的粉末形状
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双组元法
金属粉末由高熔点金 属粉末和低熔点金属 粉末混合而成。双组 元法烧结后的零件机 械强度较低，需进行 后续处理，经液相烧 结的零件相对密度可 大于80%，零件的机 械强度也很高。
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3.2.2 成型工艺
选区激光烧结工艺成型过程
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3D打印成型工艺及材料
第3章 选区激光烧结工艺及材料
3D打印技术研究所
第3章 选区激光烧结工艺及材料 Nantong Institute of Technology
1
概述
2
成型原理及工艺
3
成型系统
4
成型材料
5
成型影响因素
6
典型应用
第3章 选区激光烧结工艺及材料 Nantong Institute of Technology
3.3.2 供粉及铺粉系统
铺粉过程可以概括为: ➢ 烧结槽下降一个层厚，同时供粉槽上升
一定高度。 ➢ 铺粉装置自右向左运动，同时铺粉滚筒
正向转动，铺粉装置运动至程序设定的 终点。 ➢ 铺粉滚筒停止转动，铺粉装置自左向右 运动，按程序设定的距离返回原位。
供粉及铺粉系统
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3.2 成型原理及工艺
1
成型原理
2
成型工艺
3
工艺特点
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3.2.1 成型原理
选区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。要使粉末直接SLS成型顺利进行，必须使得一层粉末 材料全部或局部熔化，并和基体粘结且该层的表面不发生汽化现象。
3.4.1 粉末特性
特性1
粒径
粒径减小，表面光洁度和成型精度提高； 粉末平均粒径越小，烧结速率越大，烧结件的强度越高。
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3.4.1 粉末特性
特性2 粒径分布
指用简单的表格、绘图和函数形式表示粉末颗粒群粒径的分布 状态。增加粉床密度的一个方法是将几种不同粒径的粉末进行复合。
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3.2.3 工艺特点
SLS成型工艺优点：可采用多种材料。 可制造多种原型。 高精度。 无须支撑结构。
材料利用率高。 SLS成型工艺缺点:表面粗糙。
烧结过程有异味。 有时辅助工艺较复杂。
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3.2.2 成Байду номын сангаас工艺
SLS后处理 （1）高温烧结 将SLS成型件放入温控炉中，先在一定温度下脱掉黏接剂，然后再升高温度 进行高温烧结。 （2）热等静压烧结 热等静压烧结将高温和高压同时作用于坯体，能够消除坯体内部的气孔，提 高制件的密度和强度。 （3）熔浸 熔浸是将坯体浸没在一种低熔点的液态金属中，金属液在毛细管力作用下沿 着坯体内部的微小孔隙缓慢流动，最终将孔隙完全填充。 （4）浸渍 浸渍和熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物质浸入多孔的激光区烧 结坯体的孔隙内。
3.3 成型系统
SLS系统一般由高能激光系统、光学扫描系统、加热系统、供粉及铺粉 系统等组成。
振镜式扫描SLS系统
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3.3.1 光学扫描系统
振镜式激光扫描原理
直线导轨扫描原理
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选区激光烧结（Selected Laser Sintering，SLS）又称选择性激光烧结， 是一种采用激光有选择地分层烧结固体粉 末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成 所需形状零件的工艺。塑料、石蜡、金属、 陶瓷等受热后能够粘结的粉末都可以作为 SLS的原材料。
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3.1 概述
SLS思想是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Dechard于1986年首先提出的。 DTM公司(后被3D Systems公司收购)于1992年推出了Sinterstation 2000系列商 品化SLS成型机。 EOS公司于1994年推出3个系列的SLS成型机： ➢ EOSINTP用于烧结热塑性塑料粉末，制造塑料功能件及熔模铸造和真空铸