What is SLS 3D printing? 

新闻总是聚焦在报道3d打印的最奇特的物品上,食物、衣服、建筑以及其他令人激动的东西,基本上把所有3d打印方法混在一起,却忽视了3d打印机能制造的简单物品。说到专业3d打印,不能忽视在90年代中期上市的选择性激光烧结Selective Laser Sintering,SLS)。这在媒体中引起了巨大轰动,为时装秀需要的精致3d打印裙、假肢、定制家具成为现实,甚至为例如Mercedes-Benz大企业制造零件。因为它的工作原理,这项技术可以制造出许多物品。让我们走进SLS技术。 

3D printed using Formlabs Fuse 1

图片: Formlabs 

打印的工作原理? 

现如今有许多3d打印技术加热粉质材料制作物品。SLS区别于其他相似技术的主要标准在于以下三个词 

选择性——打印机收到打印物品每一层的代码(指示),说明为获得3d结构材料选择性固化的位置。 

激光——高性能激光加热粉末颗粒,使它们能一起固化一层层形成物品。 

烧结——粉末不仅被加热,它被烧结在颗粒固化的点。请注意因为打印机不能完全熔化材料,所以零件多孔。 

没有什么玄妙之处,SLS打印机工作步骤十分简便。开始打印时设备只需两个东西——代码文件和制作零件所需的材料。 

  • 设备预热整个建造室和粉末到达略低于烧结点的温度; 

  • 滚筒在整个平台(工作区域)制造又薄又平的粉末层; 

  • 激光烧结区域,依据代码制造物品; 

  • 平台略微下降; 

  • 打印机多次重复三个步骤直到最后一层完成; 

  • 在可以被移出设备之前冷却粉末。 

 

使用SLS能打印什么材料? 

取决于打印机的规格,SLS设备可以处理多种材料——从尼龙到金属、合金(如果装置配备了强大的激光)。SLS技术制造黑白物品,但好处是它可以使用复合粉末。材料范围可能帮助了SLS技术可以用于多种产业。以下是可以使用SLS技术的材料: 

尼龙——SLS打印机最常用的有机物组,最出名的可能是尼龙12 PA (聚酰胺12)。它一般被认为是打印的标准原因。PA 12带来了良好的打印结束表面,耐热且具有良好的机械性能。PA 12特点:白色、耐久、结实、可以柔软、 吸收水分少、可加工且可以染色和图画。 

TPU——一热塑性聚氨酯弹性体,用于制作柔软零件。打印外观像橡胶,温度可以达到80C°以上。TPU特点:在一定情况下可达食品安全,可染色,米黄色外观。 

TPA (PEBA)——具有橡胶外观的另一种柔软热塑材料。TPU相比,更硬且为本白色。具有高弹性、耐化学侵蚀并具有长期稳定性。 

PEEK (Polyether)——需要高温烧结的材料。 因其刚度优异力学性能强度-重量PEEK 制造的零件可以替代金属零件。PEEK特点:阻燃、无菌、耐高温和化学侵蚀。 

铸造塑料——此粉末是聚苯乙烯类材料,适用于替代金属铸造中蜡为主体的模具。可以用于低熔化温度金属,立刻燃烧并易于加工。 

金属粉末——金属和合金粉末系列,包括铁、铝和钛。在烧结之后,这些粉末和金属相似并可用于制作工具、金属零件。打印品可被加工和抛光。 

陶和瓷——有许多粉末和糊状可以用SLS设备制成陶和瓷。根据具体的比例,打印成品可以用于微波炉、洗碗机、烤箱,安全、强大、具有生物相容性。 

3D printed object made with netfabb by Creative Tools

图片: Creative Tools 

选择性激光烧结的物理可能性 

因为工业选择性激光烧结SLS)打印机体积庞大并配备了强大的激光,这些设备可以制作大体积和需要高温处理的坚硬材料。这项技术不挤压或聚合材料带来巨大的优势——它无需支撑。用于打印的实际粉末成为自身的支撑结构,所以可以打印出悬挂和“飞出”的部分。 

激光枪和粉末颗粒也相对较小,表示一些细节不能被FDM技术完成,例如,精细制作。精确制造功能性零件和原型,彼此符合并可以在后期制作后直接投入市场。 

打印期间,整个工作区域充满粉末,所以有可能一次性制造出许多零件。对比被限制在XY轴的FDM打印机,SLS设备在动态制造上更加高效。 

打印成品中烧结的粉末出现多孔,结果是,它像颜料和涂料一样吸湿。 

几乎所有的SLS打印材料可以被加工并承担大量压力。它们的结构脱离了在中心烧结的颗粒层,所以比较普通的 FDM打印,零件更加结实。一般来说,SLS设备需要: 

  • 最少0.5mm厚压印/浮雕细节 

  • 最少0.2 mm小细节 

  • 中空物品具有开放端或它们所称的“逃生洞”——让没有使用过的粉末离开内部区域。 

  • 打印具有负责/移动零件的复杂物品,您需要记住保持0.5 mm的间隙。 

 

图片:Jared Tarbell 

SLS 3d打印的缺点 

SLS技术和其使用的材料一直在持续改进中。然而,同样情况下使用其他加工和成型方法,它有一些限制和劣势: 

打印成品的收缩 

尼龙和其他粉末材料在烧结之后三维收缩。收缩率一般取决于许多因素,包括使用的粉末类型、用于烧结颗粒的激光能量、零件的形状和冷却过程。请注意零件不会在所有方向上对称收缩。一般来说,软件用于切割模型并为SLS处理。将收缩率纳入计算已制造高质量零件。然而,工程师应该知道他使用的打印机的缺点并预防它发生在特定位置。 

打印后期 

发掘新SLS打印品和考古学家的工作类似。打印过程结束后,粉末有足够时间冷却,材料块(可能重达数公斤)可被取出。专家需要从材料块中挖出零件,用吸尘器移除多余粉末,甚至利用风扫去剩下的颗粒。一旦所有的工作完成,烧结的打印品可以加热固化,增加强度。其他完成方式可选也可能需要时间磨砂、染色或涂画表层。 

颜色改变/吸湿 

如果打印品将被染色、涂画或镀膜,多孔结构是具有优势的,可以显示完成品的问题。它们可能从空气中吸收大量粉尘、油或水,从而改变颜色(例如从白色变成象牙色)或损失重量。需要完全装载打印板。SLS打印机不管您是否要打印小零件——它需要装载至零件的高度,同时也需要一直把Y轴嵌入在粉末里。  即使材料不接触激光,每次使用过后剩余的材料都会被毁坏。这也是为什么SLS打印机拥有着尝试一次性处理越多越好的物品。 

加工和材料损耗 

SLS打印机损耗巨大。“便宜”的桌面版本价格在$7,000左右——且仅有打印机。如果有人想要处理包括清洗、后期处理、完成能够和固化全程,将需要一大笔钱。材料也十分昂贵——一公斤PA 12在一般的生产商处需要$100-120,但设备在单次使用时就会“吃掉”数公斤。如果您计划完成工业等级,需要为高等级系统准备超过$800,000投资。 

每次使用新鲜粉末 

大部分烧结打印机在接触激光前都会预热粉末,因此材料都会因为温度改变而受到损坏。有些材料可以重复利用(可循环),然而,使用损坏的粉末打印不会有好结果——制造方建议将它和未使用的材料混合。根据材料和设备类型,超过85%的粉末可以被循环使用,但可能留下几公斤被损坏和无法使用的未烧结材料。 

 

 

桌面SLS打印机趣闻 

爱好者尝试在家使用自己的定制设计和技术复制SLS设备。他们可以制造出可以烧结粉末的打印机,在2013年,OpenSLS项目显示可以低于$10,000制造出SLS设备。另外有人使用少于$500制造出有80x80x80 mm工作区域的打印机,并实验混合他们自己的粉末。其他爱好者尝试使用DIY SLS设备成功打印出糖。 

 

图片: Andreas Bastian 

直到2014年,现代SLS打印技术已被锁定专利,意味着大多数工业设备都属于几个制造方管理。在专利期过后,公司开始快速发展技术,他们中有些制造低成本桌面设备($7,000$10,000$100,000便宜多了对吧?)旨在SLS广泛推广。功率和精度依旧需要改进以达到工业的啊印记要求,然而,这些设备仍可以制造高质量和精确的零件。这些活动获得了许多关注,并在竞争环境中绝对推动了SLS技术发展。