[科普中国]-激光烧结

激光烧结laser sintering，以激光为热源对粉末压坯进行烧结的技术。对常规烧结炉不易完成的烧结材料，此技术有独特的优点。由于激光光束集中和穿透能力小，适于对小面积、薄片制品的烧结。易于将不同于基体成分的粉末或薄片压坯烧结在一起。

优势利用激光可实现高熔点金属和陶瓷的黏结。与其他快速成型技术相比，激光烧结制备的部件，具有性能好、制作速度快、材料多样化，成本低等特点。欧美日等地已经逐渐认可激光烧结为下一代快速制造技术的标准。

自从二十世纪九十年代早期，激光烧结就成为产品开发的一项成功的工具。作为快速原型设计理念的技术解决方案，基于三维 CAD 数据它能够在几天内就得到功能完全的原型，模具或模型，有助于大大减低投入市场的时间。该技术的改进和相关知识的增加从许多方面扩大了它的使用范围。发展至今，激光烧结已成为电子化制造的关键技术，它直接从 CAD 文件进行快速、灵活和划算的生产。

原理激光烧结是一项分层加工制造技术 ，这项技术的前提是物件的三维数据可用。而后三维的描述被转化为一整套切片，每个切片描述了确定高度的零件横截面。激光烧结机器通过把这些切片一层一层的累积起来，从而得到所要求的物件。在每一层，激光能量被用于将粉末熔化。借助于扫描装置，激光能量被“打印”到粉末层上，这样就产生了一个固化的层，该层随后成为完工物件的一部分。下一层又在第一层上面继续被加工，一直到整个加工过程完成。1

其他相关塑料零件加工助听器行业强烈的要求其产品能够进行定制。因为成功的助听产品严重的依赖于它对耳道解剖学特性的适应，该工业不能提供任何大规模制造的产品。

利用激光烧结来生产助听设备的过程如下：

1. 用蜡铸件制作一个耳道解剖体的复制件。

2. 用扫描仪扫描这个蜡铸件来得到三维数据。

3. 在三维数据中加入一个标识码，在激光烧结过程后可以用来帮助辨识得到的助听器外壳。

4. 激光烧结外壳。

5. 将激光烧结的外壳和电子元件结合起来。

在助听设备工业，激光烧结已经成为制造过程的选择。制造过程以同样的效率工作，而不管是一批相同的产品还是不同的（一次写入性）产品。激光烧结系统的造型包络中可以放置几百个助听器外壳，这样一个晚上就能生产几百个产品。电子化制造充分体现了它的潜力：在没有两个一样的零件的情况下，可以直接利用三维 CAD 数据进行制造过程是十分关键的功能。在产品生产的后期，该数据可以被重复使用来制造与原件几何结构一样的备件，每个部件在外壳内都有一个序列号，作为病人使用的辨别码。

在激光烧结技术的现有水准上，比较成熟的烧结机如德国EOS公司的P100,P395,P760等设备，每台塑料激光烧结机器每年可以产出 100,000 个助听器外壳。

智能驱动FIT 公司成功的应用了德国EOS公司的直接金属激光烧结技术（ DMLS ）。这个业务部门为一种提供了施工车辆提供了创新、复杂的操纵杆转向系统的快速开发和经济的小批量生产。操纵杆流水线包括了 15 个塑料组件和其他电子器件、机械装置和开关。技术要求包括：在苛刻的施工现场中的高可靠性，复杂的几何装置要求塑料部件有高精度，此外由于要参加展会，要求的开发周期很短。

FIT 公司决定利用 DMLS 技术来构造 14 项工具。利用激光烧结工具制造了超过 70,000 个注射制模生产的零件。另一个组件直接利用了塑料的激光烧结技术。整个运转时间是九周，其中还有因为客户设计上的变动带来的三周的拖延。通过选择激光烧结技术作为生产手段， FIT 公司能够减低项目的成本，与传统过程相比降低了 50% 。

应用利用激光烧结来进行电子化制造在许多不同的工业已经成为可行的方案。需要强调的重点是，该技术不仅在快速成型环境里可行，而且在多品种的复杂产品的一系列生产中也是可行的。在那些产品可以通过激光烧结技术进行金属或者塑料生产的领域，电子化制造的影响最大。通过避免工具加工带来的时间和成本的消耗，利用激光烧结目标产品使得某些工业与竞争行业相比，竞争优势得到提高。

正如上述的应用实例，激光烧结通过提供快速的提供合适工具，可以促进经济效益。如果所要求的工具复杂度很高，这项技术更显出其优势。从 Hammtronic 操纵杆的例子可以看出，利用激光烧结来生产工具可以降低开发过程的宝贵时间。

激光烧结不仅是一项用于快速成型的有效工具，而且日益成为那些面对大量不同复杂产品的工业中制造工艺的选择。

选择性激光烧结选择性激光烧结是SLS法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。2

成型工艺SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。 SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统（硬件和软件）。SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。3.3 选择性激光烧结法(SLS) 选择性激光烧结法又称为选区激光烧结。它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。

由于该类成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点，针对以上特点SLS法主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具。如图9为采用SLS技术生成的4缸发动机。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学