選擇性激光燒結(jié)的研究進(jìn)展

夏爽

沈陽度維科技開發(fā)有限公司 遼寧沈陽 130022

隨著我國科學(xué)技術(shù)研究的發(fā)展，我國的工程技術(shù)學(xué)研究也取得了良好的成就。其中材料快速成型技術(shù)的應(yīng)用為“中國制造”和“中國生產(chǎn)”世界品牌的打響打下了良好的基礎(chǔ)。目前，以廣泛應(yīng)用于工程制造的快速成型技術(shù)包括立體光固化快速成型技術(shù)、三維印刷成型技術(shù)、激光熔覆成形技術(shù)、熔融沉積制造技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)等。其中選擇性激光燒結(jié)技術(shù)因其涉制造材料廣泛、工藝簡單、綜合成本低等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用與航空航天、生物醫(yī)學(xué)、工程材料等領(lǐng)域。研究選擇性激光燒結(jié)技術(shù)對擴(kuò)大陶瓷、金屬等材料的應(yīng)用范圍和提高材料的功能有著重要的意義。

1 工藝原理

選擇性激光燒結(jié)采用鋪粉輥將粉末狀的材料鋪平在成形的零件表面上，同時(shí)加熱至低于該材料墨粉燒結(jié)節(jié)點(diǎn)的溫度，以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制激光束掃描該粉截面輪廓，粉末交界處的溫度升高到熔化點(diǎn)時(shí)開始燒結(jié)，并與下層成形件時(shí)間完美接合。當(dāng)上層界面完成燒結(jié)后，工作臺降低一層，鋪料輥重復(fù)上一動作，在上面再鋪一層均勻而密實(shí)的粉末，逐層進(jìn)行燒結(jié)，直到完成整個(gè)零件或模型的燒結(jié)。整個(gè)成形過程，未經(jīng)燒結(jié)的粉末具有支撐部分模型懸臂和窄腔的作用，因此無需獨(dú)立的支撐結(jié)構(gòu)。相對于FDM工藝和SLA工藝而言，選擇性激光燒結(jié)工藝的快速制件過程簡單、成本低，氣溫?zé)Y(jié)支撐的工件精度高、可應(yīng)用范圍廣、綜合性能更加優(yōu)良[1]。

2 技術(shù)應(yīng)用

選擇性激光工藝技術(shù)廣泛應(yīng)用與電子機(jī)械、通訊、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域，促進(jìn)了更多的領(lǐng)域快速之間從傳統(tǒng)向信息化轉(zhuǎn)型的過程。近些年，利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制成的多功能金屬和陶瓷零件等在無機(jī)粉體、生物骨骼、高分子材料等方面取得了顯著的應(yīng)用效果和廣泛的認(rèn)可。如陶瓷粉末制成的人工骨骼、肢體等零件，因綜合應(yīng)用優(yōu)勢明顯而在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到關(guān)注。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究也因此成為一個(gè)熱點(diǎn)課題。

2.1 在無機(jī)粉體中的應(yīng)用

無機(jī)粉體在絕緣導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、金屬切割等方面有著極高的應(yīng)用價(jià)值。隨著新型材料的應(yīng)用，以上領(lǐng)域?qū)o機(jī)粉體的應(yīng)用性能不斷提高。為了滿足無機(jī)粉體在現(xiàn)代社會的應(yīng)用，高性能的無機(jī)粉體順勢而發(fā)展。陶瓷作為廣泛應(yīng)用的新型材料，借助選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)其力學(xué)性能的改變，提高陶瓷的穩(wěn)定性，是其性能更加優(yōu)化。如Tang等用鋁粉澆鑄的水不溶性半晶狀聚乙烯醇，以聚甲基丙烯酸銨做分散劑，采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，就可以在原有的陶瓷制件基礎(chǔ)上提高陶瓷件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等性能。

2.2 在生物骨骼中的應(yīng)用

生物骨骼是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。如人造骨骼、生物組織、人體植入件、解剖模型等。以人造骨骼為例，高性能的人造骨骼應(yīng)用于臨床不僅可以延長人體骨骼的使用年限，還能極大的提高人造骨骼植入的安全性。在生物骨骼研究方面，生物相容性、生物活性、加工成本等是研究的重點(diǎn)。2015年金光輝等以納米羥基磷灰石/聚己內(nèi)酯為原料采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)快速制出的人工支架，重點(diǎn)研究了人工支架的生物相容性、生物活性、理化性質(zhì)等，最終認(rèn)定選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制成的人工支架完全具備優(yōu)良的生物性與化學(xué)性，且成本相對傳統(tǒng)工藝要低。該項(xiàng)研究為新型人工骨骼的快速成型技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

2.3 在高分子材料中的應(yīng)用

高分子材料在二十一世紀(jì)的應(yīng)用非常普遍。關(guān)于更高性能的高分子材料的研究仍舊時(shí)一個(gè)熱點(diǎn)課題。如聚酰胺基復(fù)合材料填充金屬或陶瓷，制成的共件或模型不僅硬度高、進(jìn)度高，外型更加美觀。如鋁填充聚酰胺基質(zhì)得到的燒結(jié)件。目前，聚丙烯、聚已酸內(nèi)酯、尼龍、聚噻吩、聚酰胺、聚醚醚酮樹脂等高分子材料為原料的燒結(jié)工藝研究較為廣泛。Salmoria等以PA12為原料，以多壁碳納米管為分散劑，對采用選擇性激光燒結(jié)工藝制成的復(fù)合件進(jìn)行性能測試，燒結(jié)件的計(jì)算強(qiáng)度、彎曲模量、伸長率分別為（94±9）MPa（PA12=（86±5）MPa）、（718±125）MPa（PA12=（546±28）MPa）、9%±1.5%（PA12=11%±0.5%）。其機(jī)械性能和力學(xué)性能得到顯著改善[2]。

3 后處理工藝的研究

燒結(jié)成形的元件強(qiáng)度非常弱，需要根據(jù)具體的要求采用滲樹脂或蠟的后處理工藝進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。后處理工藝不同，選擇性激光燒結(jié)成型件的性能也會存在差異。常規(guī)的選擇性激光燒結(jié)工藝快速成型件表面會呈現(xiàn)粉末，后處理需要用刷子刷去表面粉末，露出工件部分。殘余粉末可采用壓縮空氣去除。一般先將成型件加熱到低溫，汽化后取出聚合物，在加熱到高溫并保溫，來穩(wěn)定金屬粉末，是燒結(jié)件保持原有的形狀[3]。

4 結(jié)語

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是一種造型材料快速成型的新工藝，也是目前商業(yè)應(yīng)用相對成熟的材料燒結(jié)工藝。目前，已經(jīng)成熟應(yīng)用與塑料粉末和蠟粉的燒結(jié)加工。除塑料粉末和蠟粉外，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)也已經(jīng)嘗試應(yīng)用與金屬和陶瓷等材料。對金屬和陶瓷等材料的應(yīng)用將擴(kuò)大金屬材料、陶瓷等材料在生物、醫(yī)學(xué)等行業(yè)中新型材料的研究，滿足生物、醫(yī)學(xué)等行業(yè)更多的應(yīng)用需求。選擇性激光燒結(jié)件后處理工藝技術(shù)的多樣化為材料力學(xué)性能的改變提供了技術(shù)基礎(chǔ)。未來，隨著選擇性激光后處理工藝技術(shù)的提高，選擇性激光燒結(jié)件的處理速度和材料性能將得到更好的改善。