什麼是SLS 3D列印？它的工作原理是什麼？

選擇性雷射燒結（SLS）是快速成型領域常用的3D列印技術之一。該技術利用雷射與粉末材料相互作用，逐層建造零件。本文闡述了選擇性雷射燒結（SLS）3D列印的基本原理，描述了該技術的工作原理，概述了完整的列印流程，介紹了適用的材料，並探討了其應用。

SLS 3D列印概述

選擇性雷射燒結（SLS）是一種積層製造技術，它利用雷射與粉末材料相互作用，逐層建造零件。通常使用二氧化碳雷射器作為雷射光源。根據電腦輸入的分層數據，SLS 選擇性地掃描並燒結每一層。 SLS 是一種高度靈活且適應性強的積層製造技術，突破了傳統材料成型和減材製造的限制。它無需模具或支撐結構，透過添加材料來形成零件。 SLS 具有設計自由度高、產品開發週期短、製造成本低等優點，能夠快速生產複雜的聚合物、金屬和陶瓷零件。

選擇性雷射燒結原理

在掃描之前，SLS技術需要將粉末預熱至低於其熔點的溫度。這可以減少雷射掃描過程中的熱變形和粉末黏附問題，並有助於層間黏合。電腦軟體控制雷射操作、功率調節、粉末預熱、粉末鋪展輥和粉末滾筒的運動。

設定雷射功率、掃描速度、掃描間距和層厚等雷射製程參數後，電腦控制雷射發射高精度雷射光束。雷射根據輸入的三維分層模型資料選擇性地掃描粉末層。粉末層上的掃描區域吸收雷射能量，溫度開始升高。當溫度達到粉末材料的軟化點或熔點時，被掃描的粉末開始流動。單一粉末顆粒開始相互接觸，形成燒結頸並結合在一起。未被掃描的區域保持粉末狀，為掃描區域提供支撐。

雷射掃描指定區域後，部分熱量會透過熱傳導傳遞到下方的粉末層，使目前層與下層粉末結合。剩餘的熱量則透過表面的對流和輻射緩慢散失。溫度開始下降，粉末顆粒逐漸冷卻凝固。掃描區域內的粉末顆粒相互結合，形成所需的輪廓。

雷射完成一層掃描後，成型筒下降一層厚度，同時供粉筒上升對應的高度。隨後，鋪粉輥移動並旋轉，將供粉筒中多餘的粉末推到成型筒表面，形成厚度精確的新粉末層。接下來進行下一層燒結。此過程逐層重複，直到整個零件成型。

當所有部分燒結完畢後，將列印零件從粉末床上取出。仔細清除表面和複雜結構內部未燒結的粉末。然後，進行打磨和乾燥等後處理步驟，最終得到三維實體部件。

作為一種與傳統減材製造完全不同的快速製造技術，選擇性雷射燒結（SLS）在零件製造方面具有許多優勢：

• 材料來源廣泛。理論上，任何經雷射燒結後能實現顆粒黏結的粉末材料均可用作選擇性雷射燒結（SLS）材料。
• 製造工藝簡單。整個過程由電腦控制。只需進行模型設計和原料準備，即可在選擇性雷射燒結（SLS）設備中成型零件。製造工藝相對簡單。
• 成形精度相對較高。成形零件的精度取決於雷射掃描精度和熱影響區的大小，而熱影響區的大小可以透過改變製程參數進行調整。
• 適用於生產無需支撐結構或模具的複雜形狀零件。未掃描區域中未燒結的粉末殘留下來，支撐懸垂層。由於無需模具，即使是非常複雜的形狀也能成型。
• 材料利用率高。一次成型後未使用的粉末可以重複利用，從而提高材料利用率並降低成本。

選擇性雷射燒結工藝

雷射燒結技術現在可以使用多種不同的粉末材料來製造相應材質的零件。由於製程成熟，列印零件通常具有較高的精度和強度。然而，選擇性雷射燒結（SLS）最大的優勢在於它可以直接列印成品金屬零件，列印出來的零件可以直接滿足測試要求。雷射燒結技術可以直接或間接燒結金屬零件，最終材料的強度遠優於其他3D列印技術。

根據前面介紹的SLS製程原理，具體製程可概括如下：

1. 在列印過程中，整個列印腔的溫度始終保持在略低於粉末材料熔點的水平。
2. 將材料粉末撒在已成型部件的上表面並抹平。
3. 使用高強度二氧化碳雷射照射新鋪層上的零件層。材料粉末在高強度雷射照射下燒結在一起，並與下方先前形成的零件結合。
4. 一層燒結完成後，粉末鋪展系統會鋪展一層新的粉末材料，然後列印下一層。

雷射燒結技術雖然優點顯著，但也存在一些缺點。首先，粉末燒結會導致表面粗糙，需要後續打磨處理。其次，它需要高功率雷射器，這意味著更高的設備和維護成本，以及配套的保護和控制組件。設備的整體技術複雜度高，製造難度高，一般用戶難以承受，難以大規模推廣。

選擇性雷射燒結製程參數

優質的SLS列印零件需要足夠的精度和強度。精度不足，最終零件無法滿足要求；強度過低，則無法保持複雜形狀或進行後處理，導致零件損壞或強度不足。只有當粉末顆粒完全軟化並結合後，才能提高成型零件的強度。這需要在雷射燒結區域提供足夠的熱量來熔化粉末顆粒。然而，過高的雷射能量密度會透過熱傳導形成較大的熱影響區，導致尺寸誤差增大，成型精度降低。因此，必須綜合考慮雷射能量密度對強度和精度的影響，才能設定合理的製程參數。

激光功率

雷射能量的輸出主要取決於雷射功率。雷射作用於粉末產生的熱量有三種途徑：被選定區域的粉末吸收、傳導至周圍區域，或經由對流、輻射和反射散失到空氣中。雷射光束是移動的熱源，其與粉末的相互作用時間通常只有幾毫秒到幾十毫秒。因此，粉末的加熱和冷卻速度很快。在加熱過程中，粉末材料的熱性質，例如雷射吸收率、反射率和導熱係數，會隨溫度變化。粉末內部各點的溫度也在不斷變化。這是一個非常複雜且不穩定的熱傳遞過程。

掃描速度

在雷射燒結過程中，當雷射掃描工作平面時，粉末顆粒熔化、流動並結合。雷射逐點掃描成線，再逐線掃描成面，最後逐層燒結成固體。掃描速度降低時，雷射能量密度增加，掃描點附近材料吸收的能量也隨之增加。這會增加熔化區的寬度和深度，有助於提高成形件的強度。由於熔化區的寬度和深度對掃描間距和單層厚度影響很大，因此掃描速度必須與這兩個參數協同工作。較低的掃描速度會降低製造效率。此外，當雷射掃描邊界時，增加的熔化區寬度會擴大熱影響區，從而降低成形件的精確度。

掃描間距

掃描間距是指兩條掃描線之間的距離。在雷射掃描過程中，只有掃描線區域內的粉末需要黏合在一起。掃描區域內的溫度場應盡可能減少對周圍粉末的影響。掃描間距通常略小於雷射光斑直徑。這樣可以在相鄰掃描線之間形成少量重疊，而不會在單層粉末中形成明顯的黏合邊界。這使得單層粉末的黏合更加均勻，並能有效防止溫度場對周圍區域造成過大的影響，從而確保生坯尺寸精度更高。

單層厚度

單層厚度指的是粉末鋪展厚度，也就是成型滾筒每次下降的高度。雷射能量密度分佈沿厚度方向遞減，因此可燒結層的厚度非常有限。層厚過大會導致層間結合力較弱，零件可能出現分層或沿高度方向強度降低。層厚過小則會導致部分已燒結的粉末再次燒結，影響成型品質。鋪粉輥對粉末施加向下的壓力，有助於提高粉末的堆積密度。因此，單層厚度越小，燒結零件的密度越高。此外，還有一個水平方向的力，會導致層間輕微偏移，降低精確度。特別是對於曲面零件，雷射燒結會產生無法平滑過渡的階梯狀表面，從而降低表面和形狀精度。

對於曲面零件，雷射燒結過程中產生的誤差與曲面的斜率和單層厚度均有關。層厚增加會使階梯效應更加明顯，增加實際燒結零件與設計零件在體積、形狀和尺寸上的誤差。因此，燒結曲面零件時，應適當減小層厚，並仔細選擇加工方向，以獲得更高的精度。

雷射光斑直徑

當雷射光束照射到粉末表面時，會形成一個特定尺寸的光斑。使用雷射光束燒結粉末時，成形零件的輪廓線與光斑中心的掃描路徑之間存在偏差，導致零件的外輪廓略微偏大。此外，光點也會使零件的尖角變圓，影響形狀精度。光點尺寸對成形精度的影響在一定程度上掩蓋了粉末粒徑的影響。雷射光斑直徑對成形效率也有顯著影響。在相同的掃描速度下，較大的光斑直徑可以提高能量密度分佈的均勻性，允許更大的掃描間距，從而提高效率。較小的光斑直徑則有助於提高層間結合強度和零件的機械性能。採用可變光斑技術可以在邊界處進行小光點掃描，在內部進行大光點掃描。這既提高了掃描效率，又減少了變形，同時也能獲得高強度的零件。

選擇性雷射燒結材料

選擇性雷射燒結（SLS）技術是一種基於粉末床的積層製造技術，因此粉末材料的特性對SLS零件的性能影響很大。其中，粉末的粒徑、粒徑分佈和顆粒形狀最為重要。 SLS技術可採用多種成型材料。國內外已開發出許多SLS材料。根據材料性能，這些材料可分為：金屬基材料、陶瓷基材料、聚合物材料等。

高分子材料

選擇性雷射燒結（SLS）技術的一大優勢在於其可加工多種材料，包括聚合物、金屬和陶瓷。與金屬和陶瓷相比，聚合物材料具有成型溫度更低、燒結雷射功率更小、精度更高的優點。它們是最早也是最成功的SLS列印資料，至今仍佔有重要地位。聚合物材料的種類繁多、性能各異，且改質技術多樣，為其在SLS中的應用提供了廣闊的空間。 SLS技術要求聚合物材料製成平均粒徑在10至100 μm之間的固體粉末。這些粉末在吸收雷射能量後必須熔化（或軟化、反應）並結合，且不能發生嚴重的降解。目前，SLS主要使用的聚合物材料是熱塑性塑膠及其複合材料。熱塑性塑膠可分為結晶型和非晶型。

無定形聚合物

非晶態聚合物在玻璃化轉變溫度 (Tg) 附近開始出現活躍的分子鏈運動，粉末流動性降低，開始發生黏結。因此，在選擇性雷射燒結 (SLS) 過程中，非晶態聚合物粉末的預熱溫度不能超過 Tg。為了減少燒結件的翹曲，預熱溫度通常設定在略低於 Tg 的水平。當材料吸收雷射能量時，溫度升高到 Tg 以上，發生燒結。非晶態聚合物在 Tg 附近具有較高的黏度，燒結速率與黏度成反比。這導致燒結速率很低，燒結件的密度和強度也較低（呈現多孔結構），但尺寸精度很高。理論上，提高雷射能量密度可以提高密度，但實際上，過高的能量密度往往會導致聚合物嚴重分解，反而降低密度。此外，還會加劇二次燒結，降低精準度。因此，非晶態聚合物通常用於製造強度要求不高但尺寸精度要求高的零件。 SLS 中常用的非晶態聚合物包括聚碳酸酯 (PC)、聚苯乙烯 (PS)、高抗衝聚苯乙烯 (HIPS) 和聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)。

結晶聚合物

結晶型聚合物的燒結溫度高於其熔點（Tm）。高於Tm時，結晶型聚合物的熔體黏度極低，因此燒結速率高，燒結件的密度也高，通常高於95%。所以，當材料本身強度較高時，結晶型聚合物燒結件的強度也較高。然而，結晶型聚合物在熔融和結晶過程中收縮率較大，燒結引起的體積收縮也很大。這使得它們在燒結過程中容易發生翹曲變形，導致尺寸精度較差。目前，尼龍是選擇性雷射燒結（SLS）中最常用的結晶型聚合物。其他結晶型聚合物，如聚丙烯、高密度聚乙烯和聚醚醚酮等，也應用於SLS技術。

工業熱塑性聚合物產品通常為顆粒狀。顆粒狀聚合物必須先研磨成粉末才能用於選擇性雷射燒結（SLS）製程。聚合物材料具有黏彈性。在室溫下破碎時，產生的熱量會增加其黏彈性，導致破碎困難。破碎後的顆粒也可能發生重新黏結，降低破碎效率，甚至造成熔體拉伸。因此，傳統的破碎方法無法製備適用於SLS製程的粉末。製備微米級聚合物粉末的主要方法是低溫研磨。此方法利用聚合物材料的低溫脆性來製備粉末。常見的聚合物材料，如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸酯、尼龍、ABS和聚酯等，均可使用低溫研磨法製備成粉末。

陶瓷基粉末材料

由於陶瓷材料的熔點極高，難以用雷射直接熔化。陶瓷零件也需要採用間接方法製造。在選擇性雷射燒結（SLS）成型過程中，雷射熔化黏結劑，將陶瓷粉末黏結在一起，形成所需的形狀。然後，透過浸滲或等靜壓等後處理步驟，使陶瓷零件獲得足夠的密度和強度。黏結劑添加量過少會導致陶瓷顆粒難以黏結，容易發生分層；黏結劑添加量過多則會導致生坯中陶瓷的體積分數過低，在脫脂過程中容易出現開裂、收縮和變形。黏結劑的添加方法主要包括機械混合和塗覆法。塗覆法通常透過溶解、沉澱或溶劑揮發來實現。

金屬基粉末材料

選擇性雷射燒結（SLS）是一種金屬粉末間接成形技術，其原理是將金屬粉末與聚合物粉末（黏結劑）均勻混合。雷射能量被粉末材料吸收，導致溫度升高，使聚合物黏結劑軟化或熔化成粘稠的流動狀態，從而將金屬粉末粘結在一起，形成初始金屬生坯。然後，透過脫脂、高溫燒結、金屬浸滲或樹脂浸漬等工藝，最終獲得成品金屬零件。

此外，另一種方法是使用低熔點金屬粉末（例如銅和錫）作為黏結劑來製備複合金屬零件。這種黏結劑在成型後仍保留在生坯中。由於低熔點金屬黏結劑本身俱有高強度，因此生坯具有高密度和高強度，無需脫脂或高溫燒結步驟即可獲得高性能金屬零件。隨著選擇性雷射熔融（SLM）技術的發展，採用選擇性雷射燒結（SLS）製備金屬零件的研究已逐漸減少。

選擇性雷射燒結的應用

熔模鑄造模具

利用大型平台選擇性雷射燒結（SLS）設備，可在數天甚至數小時內成型大型複雜精密熔模鑄造模型和砂型。成型過程中，在預設預熱溫度下，粉末透過鋪粉輥鋪撒在工作台上。然後，在電腦控制下，雷射光束根據模型或砂型的橫截面輪廓資訊掃描實心區域的粉末。這使得粉末溫度升高至熔點，熔化顆粒邊界，並將粉末黏結在一起。未燒結區域的粉末保持鬆散狀態，支撐工件和下一層粉末。一層成型後，工作台下降一層高度，進行下一層粉末的鋪撒和燒結。如此循環往復，最終形成三維模型和砂型。快速成型的模型和砂型隨後應用於熔模鑄造和砂型鑄造，為中國航空航天、軍事、造船、汽車和工具機等重要領域生產關鍵零件。這減少了製程步驟，縮短了生產週期，降低了成本，實現了鑄造過程中「成本和週期均減半」的目標，從而改進了傳統鑄造技術。因此，採用選擇性雷射燒結（SLS）技術製造塗層砂芯在鑄造領域具有廣泛的應用前景。

生物製造

利用選擇性雷射燒結（SLS）技術製備用於個人化醫療植入物和組織工程支架的生物聚合物，是目前SLS領域的研究熱點之一。透過電腦輔助設計，SLS技術可以製備具有可控結構和機械性能的三維多孔組織支架和個人化生物植入物。它可以有效控制孔隙率、孔形、孔徑和外部結構，從而促進細胞粘附、分化和增殖，並提高支架的生物相容性。目前，適用於SLS的生物聚合物主要為合成聚合物材料，包括聚左旋乳酸（PLLA）、聚己內酯（PCL）、聚醚醚酮（PEEK）、聚乙烯醇（PVA）等。它們通常與羥基磷灰石（HAp）或β-磷酸三鈣（β-TCP）等生物活性陶瓷材料結合使用，以獲得良好的生物活性。

聚合物功能部件

採用選擇性雷射燒結（SLS）技術製成的聚合物零件性能優異，可直接用作塑膠功能部件。 SLS成型所用材料主要為熱塑性塑膠及其複合材料。熱塑性塑膠可分為結晶型和非晶型。由於結晶型和非晶型聚合物的熱性能截然不同，因此它們的雷射燒結參數設定和零件性能也存在巨大差異。

容差和容量

在 Getzshape，我們 客製化3D列印服務 我們涵蓋四大主要技術：SLA、SLS、SLM 和 FDM。我們的 SLS 3D 列印公差和產能如下所示。

SLS列印部件的表面處理

染色染色是最有效、最經濟的著色方法，主要用於提升SLS部件的美觀。它能確保顏色均勻滲透，且不會改變零件尺寸。

• 相容材料：PA12、PA12-GF、TPU
• 顏色選擇：黑色、潘通色卡和RAL色卡

噴漆對於不適合染色或需要特定表面處理的場合，噴漆是一種用途廣泛的替代方案。它能夠實現精準的色彩匹配和卓越的表面覆蓋，打造高端外觀。

• 相容材料：所有SLS材料
• 顏色選擇：黑色、潘通色卡和RAL色卡

蒸氣平滑此製程透過化學氣相處理對SLS零件表面進行精煉和密封。透過消除表面孔隙和減少裂紋萌生點，顯著提高了機械性能——特別是斷裂伸長率、衝擊強度和疲勞強度。

• 相容材料：PA12、TPU