2.4　选区激光烧结/熔化成型（SLS、SLM）

2.4.1　选区激光烧结/熔化成型工作原理

选区激光烧结/熔化成型机有选区激光烧结（selected laser sintering，SLS）和选区激光熔化（selected laser melting，SLM）成型机两种。该技术最早起源于德州大学C.Deckard于1986年提出的“SLS”的思想，并于1989年研制成功。凭借这一核心技术，C.Deckard组建了DTM公司，于1992年发布了第一台基于SLS的商业成型机，之后成为SLS技术的主要领导企业，直到2001年被3D Systems公司收购。另外，EOS公司也在这一技术领域有着深厚的积累，不仅拥有许多专利技术，而且开发了一系列相应的成型设备。在国内方面，目前已有多家单位开展了对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、北京隆源自动成型系统有限公司、中北大学和北京北方恒利科技发展有限公司等，取得了许多研究成果，如南京航空航天大学研制的RAP-Ⅰ型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型系统有限公司开发的Laser Core-5300激光快速成型的商品化设备。

选区激光烧结/熔化采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与黏结剂的混合粉、金属与黏结剂的混合粉等）进行选择性烧结、熔化，这是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法，其原理如图2-46所示。在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成型时，送料筒上升，铺粉辊筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结、熔化，使粉末熔化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5～10h冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结、熔化的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件，未经烧结的粉末基本可由自回收系统进行回收。选区烧结、熔化工艺适合成型中小型物体，能直接成型塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小；但这种工艺仍要对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，成型时间较长。此外，由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、金属与黏结剂的混合粉并得到原型零件后，必须将它置于加热炉中，烧掉其中的黏结剂，并在孔隙中渗入填充物。选择性激光烧结成型工艺能够实现产品设计的可视化，并能制作功能测试零件。由于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结、渗铜等后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近的力学性能，故可用于制作EDM电极、直接制造金属模以及进行小批量零件生产。

选区激光熔化技术与选择性激光烧结技术的不同之处在于后者粉末材料往往是一种金属材料与另一种低熔点材料的混合物。在成型过程中，仅低熔点材料熔化或部分熔化把金属材料包覆黏结在一起，其原型表面粗糙、内部疏松多孔、力学性能差，需要经过高温重熔或渗金属填补空隙等后处理才能使用；而前者利用高亮度激光直接熔化金属粉末材料，无须黏结剂，由3D模型直接成型出与锻件性能相当的任意复杂结构零件，其零件仅需表面光整即可使用。

SLS工艺主要支持粉末状原材料，包括金属粉末和非金属粉末，然后通过激光照射烧结原理堆积成型。SLS的打印原理与SLA（光固化快速成型）十分相似，主要区别在于所使用的材料及其形态不同。SLA所用的原材料主要是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状材料。这一成型机理使得SLS技术在原材料选择上具备非常广阔的空间，因为从理论上来讲，任何可熔的粉末都可以用来进行制作，并且打印的模型可以作为真实的原型制件使用。如图2-47所示，对高熔点金属粉末和低熔点金属粉末混合而成的粉末，用激光束熔化其中低熔点金属来润湿并填充高熔点金属粉末颗粒之间的间隙，从而将粉末材料黏结起来得到全金属构件。

SLS工艺成型时，需要将低熔点金属加热到熔化状态，所需激光功率较大，通常为100～250W。另外，还需要对粉末进行预热，预热温度通常略低于黏结用金属熔点。直接打印成型后，成型件中也有不少空隙；有时还需要进行渗透处理、热等静压等后处理工序，以提高致密度。

选区激光熔化（SLM）成型的激光功率、激光束的扫描策略、扫描速度、扫描迹线间距、成型层高等参数对熔化过程有重大影响。SLM工艺使用的激光器有足够的功率，聚焦光斑尺寸可达30～50μm，功率密度可达5×106 W/cm2，采用限定长度的激光束扫描矢量可使成型件有较高的密度。用保护性气体（如氩气）可有效地屏蔽大气中氧气对熔化区的作用，以免熔化的润湿性因氧化皮层的形成而降低。SLM工艺采用优化工艺参数后能使激光束完全熔化每条扫描迹线，而且随后熔化金属在固化时不会形成球状结构。成型件的相对密度接近100%，表面粗糙度Rz可达30～50μm，尺寸精度可达±0.1mm。

2.4.2　选区激光烧结/熔化成型供粉系统

SLS/SLM成型机的供粉系统有下供粉和上供粉两种结构形式。图2-48所示是下供粉式SLS/SLM成型机原理，这种成型机由CO2激光器（或Nd：YAG激光器）、X-Y扫描振镜、位于工作台下方的供粉缸（两个）和成型缸，以及铺粉辊等组成。采用的粉材可以是塑料粉、铸造用树脂覆膜砂、陶瓷粉或金属粉与黏结剂的混合物、金属粉等。这种成型机的工作过程如下。①供粉缸中的活塞在步进电机的驱动下，向上移动一个分层厚度，使活塞上方的粉末高出供粉缸一个分层厚度。②供粉缸上方的铺粉辊沿水平方向自左向右运动，在工作台的上方铺一层粉末。③工作台上方的加热系统将工作台上的粉末预热至低于烧结点的温度。④激光器发出的激光束经计算机控制的振镜反射后，按照成型件截面轮廓的信息，对工作台上的粉末进行选区扫描，使粉末的温度升至熔化点，于是粉末表层熔化，粉末相互黏结，逐步得到成型件的一层截面片。在非烧结区的粉末仍呈松散状，作为成型件和下一层粉末的支撑。⑤一层成型完成后，成型缸活塞带动工作台下降一个分层厚度，再进行下一层的铺粉和烧结，如此循环，最终烧结成3D工件。为提高成型效率，成型机的右侧也设置了一套供粉缸，以便在铺粉辊由右向左回程时铺粉。

图2-49所示是上供粉式SLS/SLM成型机原理，其供粉系统设置在成型室的上方，通过步进电机驱动槽形辊的转动，控制粉斗中的粉末下落至工作台上，再用铺粉辊进行铺粉。这种成型机的成型室处于密闭状态，可通过真空泵抽真空和通入保护气体，防止正在烧结成型的金属工件氧化。

图2-50为激光头扫描式SLS/SLM成型机。这种成型机采用伺服电机驱动X-Y工作台，使激光头沿X、Y方向运动，实现激光束扫描功能，这种成型机的成型工作范围不受振镜扫描范围的限制。

2.4.3　选区激光烧结/熔化成型技术特点

SLS工艺与其他3D打印技术相比，最突出的优点在于它打印时可以使用的原材料十分广泛，目前可成熟运用于SLS设备打印的材料主要有石蜡、高分子材料、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS工艺具备成型材料品种多、用料节省、成型件性能好、适合用途广以及无须设计和制造复杂的支撑系统等优点，所以SLS的应用越来越广泛。

SLM与SLS的不同之处在于：SLS成型时粉末半固态液相烧结，粉粒表层熔化并保留其固相核心；SLM成型时，粉末完全熔化。SLM成型方式虽然有时仍然采用与SLS成型相同的“烧结”（Sintering）表述，但实际的成型机制已转变为粉末完全熔化机制，因此成型性能显著提高。SLS工艺采用的粉末是由金属粉末与聚合物粉末或高熔点金属粉末与低熔点金属粉末混合而成的特制粉末；SLM工艺采用的是普通单一成分的金属粉末，其中不含有任何黏结剂，也未经任何预处理，只要求粉末为球状，粉粒的尺寸为20～50μm。SLS的优点主要有以下几个方面。

①与其他工艺相比，能生产强度高、材料属性优异的产品，甚至可以直接作为终端产品使用。

②可供使用的原材料种类众多，包括工程塑料、石蜡、金属、陶瓷粉末等。

③零件的构建时间较短，打印的物品精度非常高。

④无须设计和构造支撑部件。

相对其他3D打印技术，其缺点主要包括以下几点。

①关键部件损耗高，并需要专门实验室环境。

②打印时需要稳定的温度控制，打印前后还需要预热和冷却，后处理也较麻烦。

③原材料价格及采购维护成本都较高。

④成型表面受粉末颗粒大小及激光光斑的限制，影响打印的精度。

⑤无法直接打印全封闭中空的设计，需要留有孔洞去除粉材。

SLM技术是在选区激光烧结技术SLS的基础上发展起来的，但又区别于SLS技术，其技术特点如下。

①直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节。

②可得到冶金结合的金属实体，相对密度接近100%。

③SLM制造的工件具有较高的拉伸强度，较低的表面粗糙度值（Rz为30～50μm），较高的尺寸精度（小于0.1mm）。

④适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构（如空腔结构）、用传统方法无法制造的复杂工件。

⑤适合单件和小批量模具和工件成型。

在激光连续熔化成型过程中，整个金属熔池的凝固结晶是一个动态过程。随着激光束向前移动，在熔池中金属的熔化和凝固过程是同时进行的。在熔池的前半部分，固态金属不断进入熔池处于熔化状态；而在熔池的后半部分，液态金属不断脱离熔池而处于凝固状态。由于熔池内各处的温度、熔体的流速和散热条件是不同的，在其冷却凝固过程中，各处的凝固特征也存在一定的差别。对多层多道激光烧结的样品，每道熔区分为熔化过渡区和熔化区。熔化过渡区是指熔池和基体的交界处，在这区域内晶粒处于部分熔化状态，存在大量晶粒残骸和微熔晶粒，它并不是构成一条线，而是一个区域，即半熔化区。半熔化区的晶粒残骸和微熔晶粒都有可能作为在凝固开始时的新晶粒形核核心。对镍基金属粉末熔化成型的试样分析表明：在熔化过渡区，其主要机制为微熔晶核作为异质外延，形成的枝晶取向为沿着固-液界面的法向方向。熔池中除熔化过渡区外，其余部分受到熔体对流的作用较强，金属原子迁移距离大，称为熔化区。该区域在对流熔体的作用下，将大量金属粉末黏结到熔池中，由于粉末颗粒尺寸的不一致（粉末的粒径分布为15～130μm），当激光功率不太大时，小尺寸粉末颗粒可能完全熔化；而大尺寸的粉末颗粒只能部分熔化，这样在熔化区中存在部分熔化的颗粒，这部分的颗粒有可能作为异质形核核心。当激光功率较高时，能够完全熔化熔池中的粉末，在这种情况下，该区域主要为均质形核。在激光功率较小时，容易形球，且形球对烧结成型不利。因此，对Ni基金属粉末熔化成型通常采用较大的功率密度，其熔化区主要为均质形核，形成等轴晶。

SLM是极具发展前景的金属零件3D打印技术。SLM成型材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴铬合金和贵重金属等。激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件，其应用范围已经扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。