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。
（2）堆积过程。首先，铺粉滚筒移至最左边，在加工区域内用滚筒均匀地铺上一层热塑性粉状材料，然后根据扫描轨迹，用激光在粉末材料表面绘出所加工的截面形状，热量使粉末材料熔化并在接合处与旧层粘接。当一层扫描完成后，重新铺粉、烧结，这样逐层进行，直到模型形成。因而SLS工艺是一种基于离
Ｎｏ．３ 陕西科技大学学报
・２８・ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＡＮＸＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｊｕｎ．２００７ ＶｏＬ ２５
文章编号：１０００－－５８１１（２００７）０３—００２８－－０４
选择性激光烧结制备多孔金属的工艺研究
党新安，张 政
（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 ７１００２１）
摘 要：以３１６Ｌ不锈钢粉末为材料，采用选择性激光烧结法制备了多孔金属材料，研究了多
孔金属材料的孔隙成形机理及激光工艺参数对其性能的影响规律。试验结果表明：多孔金属
材料是在激光局部高能量烧结下球化并粘接成形。借助于激光工艺参数的控制，可制备出所
需性能的多孔金属仿生材料．
关键词：多孔金属；孔隙率；平均孔径；弹性模量
中图分类号：ＴＦ１２４．５ ４ 文献标识码：Ａ
０ 引言
多孔材料是相对于普通密实材料提出的，其特点是密度小、质量轻、比表面积大、比力学性能高、阻尼
性能好．由于其优异的物理、力学性能，多孔材料已成为一种优秀的工程材料，具有功能和结构的双重属
性．制备多孔金属的工艺方法很多，选择性激光烧结法（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ） 是采用激光烧
结粉末材料的一种快速成型（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ＲＰ）技术．其原理是首先由ＣＡＤ软件，按照产品要求设
计、转换或扫描出零件的三维模型，然后对三维模型进行切片（ｓｌｉｃｉｎｇ）或分层处理，得到各层截面的二维
轮廓信息，利用激光器按照各层数据进行扫描，一层一层对粉末材料进行烧结堆积，最后得到零件的三维
实体．
金属 粉末
熔接区 蓁圈 激光束扫描方向
孔隙 第ｎ．１层
第ｎ层 第ｎ．１层
图１ 选择性激光烧结孔隙成形机理示意图 图２试样微观形貌（×５０倍）
作者采用ＳＬＳ技术，使用光纤激光器和自行研制的铺粉装置进行了烧结试验，探讨了适合于医用生
物材料的多孔金属制备工艺条件．通过试验，研究了选择性激光烧结法制备多孔金属的孔隙成形机理，在
四种常见快速成型技术
FDM
丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工艺是一种不依*激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。
丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。热塑性丝状材料（如直径为1.78mm的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。由于甲基丙烯酸ABS（MABS）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。
FDM快速原型技术的优点是：
1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。
2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。
3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。
4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。
5、材料利用率高。
6、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。
FDM快速原型技术的缺点是：
1、 做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。
2、速度较慢。
SLA
敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereolithography）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。
在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复不已，知道整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。
第３６卷 增刊３ ２００７年 ９月 稀有金属材料与工程 ＲＡＲＥ ＭＥＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＥＮＧ１ＮＥＥＲ１ＮＧ Ｖｏ１．３６，Ｓｕｐｐ１．３ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００７
多孔金属格子材料（点阵材料）￥１Ｊ造方法
刘培生
（北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室，北京１００８７５）
摘要：介绍了多孔金属格子材料的主要形态及其制造方法，其中结构形态主要有四面体孔穴单元结构、锥体孔穴单
元结构、３Ｄ．Ｋａｇｏｍｅ结构、菱体结构、八面体孔穴结构等形式。制造工艺主要有熔模铸造法、变形成型法、金属丝编
织法、金属丝搭接组装法和聚合物格子前体电沉积法等方式。并指出了该类材料的主要优点和不足，对以后多孔金属
研究的努力方向提出了一点建议。
关键词：格子材料；点阵材料；多孔材料；泡沫材料
中图法分类号：ＴＢ３８３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２．１８５Ｘ（２００７）Ｓ３．５３５．０４
１ 引 言
开孔泡沫金属材料的承载结构用途受其弹性模量
和强度的限制，其强度与密度呈指数律关系，这使其
大大劣于同密度的蜂窝材料…。于是，人们希望找到
具有另外孔穴形态的多孔体，这种新型的多孔结构既
有可与蜂窝结构相比拟的强度指标，同时又兼具开孔
泡沫金属的其它功能属性。这种新型的多孔结构有人
称之为“格子材料”，也有人称之为“点阵材料”，它
们是具有规则孔形和孔穴呈周期排列的一类新型多孔
金属材料。前几年的制备技术已能获得长度尺寸在数
毫米至几十厘米的格子材料／点阵材料，如利用聚合物
注模成形后组装成复杂的格子材料／点阵材料即是其 中…种成本低廉的途径［２】。这些聚合物材料可作为金
属格子材料／点阵材料熔模铸造过程中的牺牲模板，快
速模板技术可制备格子参数尺度为Ｏ．５ ｍｍ的多孔体。
电沉积技术获得的格子结构还可使孔棱直径小至５Ｏ ｕｍｌ３］。近来的制造技术已能设计出长度尺寸在０．Ｉ～
１０ ｍｍ的格子系统Ｉ 。
