激光快速成型的特点与工艺(图)

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。

四种典型的快速成型技术的成型原理一、激光烧结成型原理激光烧结成型（Selective Laser Sintering，简称SLS）是一种快速成型技术，其成型原理是利用激光束对粉末材料进行烧结，逐层堆积形成所需的三维实体。

激光烧结成型的过程主要包括以下几个步骤：首先，利用计算机辅助设计（CAD）软件将待制造的物体进行三维建模，并将模型数据转化为机器能够识别的格式。

然后，将烧结材料粉末均匀地铺在工作台上，使其表面平整。

接下来，利用激光束控制系统，将激光束按照预定的路径和参数扫描在粉末层表面，使其局部熔融烧结。

激光束的能量使粉末颗粒之间发生熔融和烧结，形成一层固体物质。

再次铺上一层新的粉末材料，重复上述步骤，逐层堆积，直至形成整个三维实体。

最后，将成品从未熔融的粉末中清理出来，并进行后续处理，如热处理或表面处理。

激光烧结成型技术具有成型速度快、制作精度高、制造复杂度高等优点。

由于其成型过程中无需使用支撑材料，可以制造出具有复杂内部结构的零件，因此被广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。

二、光固化成型原理光固化成型（Stereolithography，简称SLA）是一种常见的快速成型技术，其成型原理是利用紫外线激光束对光固化树脂进行逐层固化，最终形成所需的三维实体。

光固化成型的过程主要包括以下几个步骤：首先，利用计算机辅助设计（CAD）软件将待制造的物体进行三维建模，并将模型数据转化为机器能够识别的格式。

然后，将液态光固化树脂均匀地铺在工作台上。

接下来，利用紫外线激光束扫描器，将激光束按照预定的路径和参数照射在树脂表面，使其局部固化。

激光束的能量使树脂中的光敏物质发生聚合反应，从而使树脂由液态变为固态。

再次涂覆一层新的液态光固化树脂，重复上述步骤，逐层固化，最终形成整个三维实体。

最后，将成品从未固化的树脂中清洗出来，并进行后续处理，如烘干或光刻。

光固化成型技术具有成型速度快、制造精度高、制造复杂度高等优点。

快速成型：SLA、LOM、SLS、3DP、FDM快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术Laser Technology，例如：光固化成型SLA、分层实体制造LOM、选域激光粉末烧结SLS、形状沉积成型SDM 等；基于喷射的成型技术Jetting Technoloy，例如：熔融沉积成型FDM、三维印刷3DP、多相喷射沉积MJD光造型工艺SLASLA，Stereolithogrphy Apparatus工艺，也称光造型或立体光刻，由Charles Hul 于 1984 年获美国专利。

SLA 技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。

这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

SLA工作原理SLA工作原理：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。

成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度．聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。

当一层扫描完成后．未被照射的地方仍是液态树脂。

然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。

SLA 方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法．也是技术上最为成熟的方法。

S LA 工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到 0.1 mm ，原材料利用率近 100 ％。

但这种方法也有白身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。

叠层实体制造工艺LOMLOM，Laminated Object Manufacturing，LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986 年研制成功。

快速成型技术的特点和工艺原理摘要：快速成形技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术之一,本文综述了快速成形技术原理与特点，特别在快速成形系统、材料和快速制模方面的最新成就，并分析了快速成形与快速制模技术的发展趋势。

指出该项技术可构成一种应用范围十分广泛、新颖的加工体系，市场前景广阔。

关键词：快速成形技术；三维模型；立体光造型；迭层实体制造;快速制模。

一、前言90年代开始，随着冷战时代的结束，市场环境发生了巨大的变化。

一方面表现为消费者需求日趋主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。

面对市场，产品制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须很快地生产制造出来，抢占市场。

因此，面对一个迅速变化且无法预料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。

快速响应市场需求，已成为制造业发展的重要走向。

为此，这些年来工业化国家一直在不遗余力地开发先进制造技术，以提高制造工业发展水平，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。

与此同时，计算机、微电子、信息、自动化、新材料、和现代企业管理技术的发展日新月异，这些技术、产业的发展与进步，给产品创意、研究开发、设计、工艺设计、加工准备、制造工艺、装备、装配、质量保证、生产管理和企业经营都有带来了重大变革，产生了一批新的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就。

快速成形技术就是在这种背景下逐步形成并得以发展。

快速成形技术的发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，提高了产品设计、制造的一次成品率，降低产品开发成本，从而给制造业带来了根本性的变化。

二、技术原理及特点快速成形技术(快速原型技术，RP技术)系统可分为两大类：基于激光或其它光源的成形技术，如：立体光造型（Stereo lithography：SL）、迭层实体制造（Laminated Object Manufacturing：LOM）、选择性激光烧结（Selected Laser Sintering：SLS）、形状沉积制造（Shape Deposition Manufacturing：SDM）等；基于喷射的成形技术，如：熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling：FDM）、三维打印制造（Three Dimensional Printing：3DP）等。

几种常见快速成型工艺优缺点比较常见的快速成型工艺包括：激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）、光固化法（Stereolithography，SLA）、喷墨打印法（Inkjet Printing）、电子束熔化法（Electron Beam Melting，EBM）、热熔沉积法（Fused Deposition Modeling，FDM）等。

下面将逐一比较这些方法的优缺点。

激光烧结法（SLS）是使用激光器将可塑性粉末烧结成所需形状的方法。

其优点包括：1.适用范围广：SLS可以用于各种材料，包括塑料、金属、陶瓷等。

因此，它适用于不同领域的应用，例如制造汽车零件、医疗器械等。

2.生产速度快：SLS可以在短时间内完成复杂形状的成型，节省了生产时间。

3.无需支撑结构：由于激光烧结的方式，SLS制造的零件不需要支撑结构，因此可以制造更为复杂的形状。

但SLS也存在一些缺点：1.成本较高：SLS设备的价格相对较高，且材料也相对较贵，导致成本较高。

2.表面质量较差：SLS制造的零件表面质量一般较差，需要进行后处理才能得到满意的结果。

光固化法（SLA）是使用紫外线激光器将液态光敏物质逐层固化成所需形状的方法。

其优点包括：1.高精度：SLA制造的零件具有较高的精度和细节展现能力。

2.可用材料多样：SLA可以使用不同种类的光敏物质进行成型，例如树脂、陶瓷等。

3.成本相对较低：SLA设备的价格相对较低，且材料成本也较低。

然而，SLA也存在一些缺点：1.制造速度较慢：由于光敏物质需要逐层固化，SLA制造的速度较慢。

2.零件强度较低：SLA制造的零件强度一般较低，不适用于承受大负荷的情况。

喷墨打印法（Inkjet Printing）是使用喷墨头将液态材料逐层喷射成所需形状的方法。

其优点包括：1.制造速度快：喷墨打印法可以较快地完成成型过程。

2.低成本：喷墨打印设备相对成本较低，材料成本也较低。

激光快速成型技术原理1. 引言激光快速成型技术（Laser Rapid Prototyping，简称Laser RP）是一种通过激光熔化或固化材料来逐层构建三维实体的制造技术。

它可以直接从计算机辅助设计（CAD）模型中生成物理模型，无需任何模具或切削工具。

激光快速成型技术的出现，极大地改变了传统制造业的生产方式，为产品研发与制造提供了一种快速、高效、灵活的解决方案。

本文将详细解释激光快速成型技术的基本原理，包括激光熔化成型（Selective Laser Melting，简称SLM）和激光固化成型（Stereolithography，简称SLA）两种常见的激光快速成型技术原理。

2. 激光熔化成型（SLM）原理激光熔化成型是一种通过激光熔化金属粉末来逐层构建金属实体的技术。

其基本原理如下：2.1 扫描路径规划在激光熔化成型过程中，首先需要根据CAD模型生成切片数据，然后使用计算机算法进行扫描路径规划。

扫描路径规划决定了激光在每一层的照射顺序，以及每个点的激光功率和照射时间。

2.2 激光照射在激光熔化成型过程中，使用高能量密度的激光束照射金属粉末，使其迅速熔化。

激光束的功率和照射时间会根据扫描路径规划的要求进行调整，以确保金属粉末被完全熔化。

2.3 层间粘结在每一层金属粉末被熔化后，需要等待熔融池冷却并凝固，形成一层固态金属。

然后，在下一层金属粉末上重复上述过程，直到构建出完整的三维实体。

每一层之间通过熔融池的凝固来实现粘结，确保构建出的实体具有足够的强度。

2.4 支撑结构在激光熔化成型过程中，由于构建过程是逐层进行的，上层的熔化金属会渗入到下层的固态金属中。

为了避免上层结构的变形和下层结构的破坏，通常需要添加支撑结构。

支撑结构可以提供支撑力和热传导，以保持构建过程的稳定性和精度。

2.5 后处理完成激光熔化成型后，需要进行后处理。

后处理包括去除支撑结构、表面处理、热处理等。

去除支撑结构通常需要机械或化学方法，以保持构建物表面的平整度和光洁度。

激光快速成型技术原理激光快速成型技术（Laser Rapid Prototyping，LRP）是一种以激光为能源源，通过逐层熔化或固化材料，实现三维实物快速制造的先进制造技术。

它是在计算机辅助设计（CAD）的基础上，利用计算机数控技术、激光技术和材料科学等多学科的综合应用。

激光快速成型技术的原理主要包括建模、切片、成型三个步骤。

首先是建模。

在激光快速成型技术中，首先需要进行三维模型的建立。

通常使用计算机辅助设计软件进行建模，将设计好的三维模型输入到激光快速成型设备中。

建模过程需要考虑到设计的形状、尺寸、结构等因素，以及材料的特性和制造工艺的要求。

接下来是切片。

在建模完成后，需要将三维模型切片成多个薄层。

切片过程是将三维模型分解为一系列的二维层，每一层都是一个横截面的投影。

切片的精度和层数的选择会直接影响到最终成型件的质量和精度。

最后是成型。

成型过程中，通过控制激光束的扫描轨迹和功率密度，将激光束照射到材料表面，使其局部熔化或固化。

当一层材料完成后，工作台会相应下降一层，然后再次进行激光照射，逐层累积，最终完成整个成型过程。

激光快速成型技术可以使用多种材料，如金属、塑料、陶瓷等，可以制造出具有复杂形状和内部结构的实物。

激光快速成型技术基于激光熔化或固化材料的原理，具有以下优点：激光快速成型技术具有高度的制造自由度。

通过激光束的精确控制，可以实现各种复杂形状的制造，包括内部空腔、薄壁结构等。

这种自由度对于一些特殊形状的零件制造非常有优势。

激光快速成型技术具有高精度和高质量。

激光束的直径非常小，可以实现微米级别的精度。

而且激光束的能量密度非常高，可以使材料迅速熔化或固化，从而得到高质量的成型件。

激光快速成型技术具有快速制造速度。

相比传统的制造方法，激光快速成型技术可以大大缩短制造周期，提高生产效率。

这对于一些小批量、个性化的生产要求非常适用。

激光快速成型技术还具有材料利用率高、减少了加工工序、降低了生产成本等优点。

SLS激光快速成型技术基本原理和工艺的优缺点华曙高科指出SLS激光快速成型技术是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，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，使粉末的温度升到熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。

一层完成后，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。

这项技术与SLA很相似，也是用激光束来扫描各层材料，但SLS的激光器为CO2激光器，成型材料为粉末物质。

制作时，粉末被预热到稍低于其熔点温度，然后控制激光束来加热粉末，使其达到烧结温度，从而使之固化并与上一层粘结到一起。

目前烧结的材料主要有标准的铸造蜡材，标准的工程热塑性塑料如聚碳酸酯、尼龙、覆膜金属。

现在国内外正在研究陶瓷以及其它工程塑料的烧结成型，下面由华曙高科快速模型给大家分析下SLS激光快速成型技术工艺的优缺点。

优点：（1）可采用多种材料。

理论上讲，可采用加热时黏度降低的任何粉末材料，通过材料或各种含黏结剂的涂层颗粒制造任何造型。

（2）制造工艺简单。

由于可用材料比较多，该工艺按材料的不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构建或部件及工具。

（3）高精度。

该工艺一般能够达到工件整体范围内（0.05-2.5)mm的公差。

（4）无需支撑结构。

叠层过程出现的悬空层可直接由未烧结的粉末来支撑。

（5）材料利用率高。

该工艺不用支撑，不需制作基底支撑，为常见几种RP工艺利用率最高的，且价格较便宜。

缺点：（1）表面粗糙。

由于原材料是粉状的，原型建造是由材料粉层经过加热熔化实现逐层粘结的，因此，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。

（2）烧结过程有异味。

SLS工艺中粉层需要激光使其加热达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结时会挥发异味气体。

（3）有时辅助工艺较复杂。

拿聚酰胺粉末烧结来说，为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧，需在工作空间加入阻燃气体，多为氮气。