馮淑瑩 張慧梅

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心材料工程發(fā)明審查部，廣東 廣州 510000)

選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)技術(shù)的概念是在1986年被美國(guó)Texas大學(xué)的研究生Deckard提出來(lái)的，他在1989年獲得了第一個(gè)SLS技術(shù)專利，隨后成立了DTM公司。

SLS打印技術(shù)是增材制造(或稱3D打印)技術(shù)的一種，它采用CO2激光器作為能量源，通過(guò)選擇性地熔化高分子粉末材料來(lái)制作三維實(shí)體零件。SLS技術(shù)具有成形材料多樣化(高分子材料、陶瓷、金屬、覆膜砂及其復(fù)合粉末等均可作為成形材料)、用途廣泛、成形過(guò)程簡(jiǎn)單、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展前景的3D打印技術(shù)之一[1]。

1 技術(shù)原理[2]

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基本原理可以概述為：首先，CAD模型需要在計(jì)算機(jī)程序中利用分層軟件逐層切割以獲得每層的加工數(shù)據(jù)信息。在選擇性激光燒結(jié)成形時(shí)，工藝條件如預(yù)熱溫度、激光功率、掃描速度、掃描路徑、分層厚度等應(yīng)根據(jù)制件要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，工作室中的預(yù)熱溫度升高到預(yù)定值并保持其不變；送料筒上升，鋪粉滾筒移動(dòng)，在平臺(tái)上鋪一層粉末，由精密導(dǎo)軌、伺服控制系統(tǒng)控制激光束對(duì)粉末進(jìn)行掃描燒結(jié)，形成一層實(shí)體輪廓。第一層燒結(jié)完成，工作臺(tái)下降一個(gè)分層厚度，由鋪粉滾筒再鋪上一層粉末進(jìn)行下一層燒結(jié)，循環(huán)往復(fù)、層層疊加而形成三維的實(shí)體。

2 技術(shù)發(fā)展情況分析

史玉升等[2]提出選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)是基于粉末床的激光 3D 打印技術(shù)。材料對(duì)成形件的精度和物理機(jī)械性能起著決定性作用，其中高分子基粉末是應(yīng)用最早，也是目前應(yīng)用最多、最成功的 SLS 材料，但是 SLS 高分子仍存在可用種類少和成形件性能較低等難題。通過(guò)添加微/納米填料或者后處理浸滲等方法制備復(fù)合材料，來(lái)提高 SLS 成形件的某些性能以及增加 SLS 材料種類，已經(jīng)成為 SLS 領(lǐng)域材料研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

王聯(lián)鳳等[3]通過(guò)粉末床鋪設(shè)置尼龍微粉，進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)(SLS)，制備了尼龍6(PA6)拉伸試樣。分析了所制備樣品在三維方向上的拉伸性能，研究了拉伸斷口的微觀形態(tài)。結(jié)果表明，所制備的樣品致密無(wú)孔隙。激光掃描方向和面堆積方向的拉伸強(qiáng)度分別為42.7 MPa和42.5 MPa，高于體堆積方向的拉伸強(qiáng)度39.3 MPa；激光掃描方向和 面 堆 積 方 向 的 斷 裂 伸 長(zhǎng) 率 約 為 體堆積方向的兩倍。斷口分析顯示，拉伸斷口由裂紋萌生區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)組成，裂紋起源于未熔融 PA 顆粒與熔融粘結(jié)PA的界面。

何敏等[4]簡(jiǎn)述了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)和熔化技術(shù)(SLM)的成型原理及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了SLS 在醫(yī)學(xué)模型、植入體和贗復(fù)體、組織工程支架及藥物傳送裝置等方面的應(yīng)用，并對(duì) SLS 和 SLM 技術(shù)的研究與發(fā)展方向進(jìn)行展望。

專利文獻(xiàn)CN 209886683 U提出一種SLS金屬粉末3D打印機(jī)，包括激光燒結(jié)柜、控制柜，所述的激光燒結(jié)柜中設(shè)置有燒結(jié)室、設(shè)置在燒結(jié)室上方的激光器、位于激光器和燒結(jié)室之間的振鏡以及設(shè)置在燒結(jié)室下方的送料機(jī)構(gòu)，所述的控制柜中設(shè)置有工控電腦、電機(jī)控制器、激光掃描控制器、激光電源及冷卻水泵，所述的送料機(jī)構(gòu)連接電機(jī)控制器，所述的振鏡連接所述的激光掃描控制器，所述的工控電腦連接所述的激光器及激光掃描控制器，所述的激光電源為激光器提供電源，所述的冷卻水泵為激光器提供冷卻。該實(shí)用新型3D打印機(jī)具有結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，激光燒結(jié)成型精度高，滿足連續(xù)成型工作。

專利文獻(xiàn)CN 209886682 U提出一種SLS金屬粉末3D打印機(jī)的送料機(jī)構(gòu)，包括機(jī)構(gòu)支架、送粉機(jī)構(gòu)及燒結(jié)機(jī)構(gòu)；所述的送粉機(jī)構(gòu)及燒結(jié)機(jī)構(gòu)均安裝在機(jī)構(gòu)支架上；所述的機(jī)構(gòu)支架包括上撐板、下?lián)伟逡约斑B接上撐板和下?lián)伟宓娜舾闪⒅?；所述的送粉機(jī)構(gòu)包括安裝在機(jī)構(gòu)支架的上撐板上的送粉缸、設(shè)置在送粉缸內(nèi)部的送粉活塞、與送粉活塞連接的送粉活塞連桿、設(shè)置在機(jī)構(gòu)支架的下?lián)伟迳系乃头垭姍C(jī)、與送粉電機(jī)相連的送粉絲桿、與送粉絲桿螺紋連接的送粉滑塊、連接送粉滑塊與送粉活塞連桿的送粉滑桿。該實(shí)用新型3D打印機(jī)的送料機(jī)構(gòu)，采用相互獨(dú)立的升降結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，送料精度高及穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

專利文獻(xiàn)CN 109158596 A提出了一種SLS金屬3D打印平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平裝置?，F(xiàn)有SLS金屬3D打印機(jī)在使用前需要通過(guò)手工調(diào)平，不僅浪費(fèi)大量時(shí)間，還無(wú)法保證調(diào)平的精度。該發(fā)明包括水平位移機(jī)構(gòu)、豎直位移激光測(cè)距機(jī)構(gòu)和微位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。水平位移機(jī)構(gòu)包括橫移驅(qū)動(dòng)電機(jī)、底座、轉(zhuǎn)軸、支撐軸、凸輪組、動(dòng)力桿組、滑塊和橫移滑軌。豎直位移激光測(cè)距機(jī)構(gòu)包括殼體、沖桿、翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、螺旋軸、激光測(cè)距儀和翻轉(zhuǎn)組件。微位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括支撐塊和三個(gè)壓電陶瓷促動(dòng)器。該發(fā)明能夠檢測(cè)SLS金屬3D打印機(jī)內(nèi)成型平臺(tái)的水平度，并將SLS金屬3D打印機(jī)調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)。本發(fā)明中的豎直位移激光測(cè)距機(jī)構(gòu)能夠精密測(cè)距，翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能使儀器不受工作環(huán)境(金屬粉塵)的影響。能夠檢測(cè)SLS金屬3D打印機(jī)內(nèi)成型平臺(tái)的水平度，并將SLS金屬3D打印機(jī)調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)。

專利文獻(xiàn)CN 208277439 U提出了一種SLS快速成型雙輥鋪粉裝置，包括支撐框體，安裝支架上分別安裝有料斗電機(jī)和轉(zhuǎn)軸，料斗電機(jī)的電機(jī)軸與轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)軸上安裝有鏈輪，鏈輪上安裝有鏈條，鏈條上安裝有料斗，鋪粉輥電機(jī)的電機(jī)軸通過(guò)傳送帶分別與第一鋪粉輥和第二鋪粉輥相連，第一鋪粉輥和第二鋪粉輥之間的鋪粉輥支架上安裝有引粉刀；支撐框體內(nèi)側(cè)底壁上開(kāi)設(shè)有鋪粉口，鋪粉口上方的支撐框體內(nèi)側(cè)底壁上安裝有加熱裝置；鋪粉口下方安裝有成型裝置，成型裝置上端可嵌入鋪粉口鋪粉；料斗與加粉裝置相連。該實(shí)用新型所述一種SLS快速成型雙輥鋪粉裝置，其在移動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)雙向鋪粉功能，并且采用移動(dòng)料斗與鋪粉輥相結(jié)合的裝置，更好得實(shí)現(xiàn)壓實(shí)粉末層，打印效果更佳。

3 結(jié)語(yǔ)

SLS 技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等多種技術(shù)及工藝，與其他制造技術(shù)相比具有適用性廣、工藝簡(jiǎn)單、成形精度高、可直接燒結(jié)零件等特點(diǎn)，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的關(guān)鍵技術(shù)。目前，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)解決了傳統(tǒng)加工方法中的許多難題，并在汽車、造船、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，對(duì)人們的生活生產(chǎn)方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[5]。

隨著對(duì) SLS 成型工藝、設(shè)備、材料等方面研發(fā)的投入，SLS技術(shù)必將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。