SLS 選擇性激光燒結3D打印技術知多點

SLS 3D打印知多點

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SLS 3D打印這種工業式3D打印技術越來越被廣泛應用,今次講一下它的操作原理。

SLS 3D打印的歷史

選擇性激光燒結(SLS)是最早的3D打印技術之一, 由University of Texas的Carl Deckard博士和Joe Beaman博士於1980年代中期開發。此後,他們的方法已適用於多種材料,包括塑料,金屬,陶瓷和各種複合材料粉末。如今,這些技術被歸為粉末床熔合技術(powder bed fusion),通過這種技術熱能選擇性地融合粉末床區域。

當今,兩種最常見的粉末床熔融系統是基於塑膠的,通常稱為SLS,和基於金屬的,稱為直接金屬激光燒結(DMLS)或選擇性激光熔融(SLM)。

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SLS 3D打印原理

SLS 3D打印技術的成型原理方面,SLS 3D打印機會先把充有氮氣的打印空間升溫,但溫度會保持在粉末的熔點以下,之後,SLS 3D打印機會把放著粉末打印物料的容器下降,然後會有鋪粉滾筒移動將一層粉末材料平鋪在打印平台上。之後會按著3D模型的截面輪廓位置放射出激光,把所在的粉末進行燒結,當粉末融化後,這些粉末形成一層固體輪廓。第一層的3D模型燒結完成後,工作平台就會下降3D模型一個截面層的高度,之後鋪粉滾筒會再次移動,均勻地在打印平台上鋪上一層新粉末,這個步驟經過不斷重複,直至3D打印完成為止。

SLS 3D打印過程一般是要將STL 3D模型檔案輸入到 SLS 3D打印機中。之後當然要設定具體的製造參數,之後的打印過程如上述所講的原理進行。物品打印完成後,需要等待成型缸冷卻才可以把把打印物件取出進行後期處理。

SLS 3D打印知多點

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SLS 3D打印材料

選擇性激光燒結最常用的材料是尼龍,尼龍是一種流行的工程熱塑性塑料,因其輕巧,堅固和靈活的特性而倍受青睞。尼龍對沖擊,化學藥品,熱,紫外線,水和污垢穩定,因此非常適合快速成型和生產。

尼龍是屬於聚酰胺家族的合成熱塑性聚合物。通常用於SLS的尼龍是尼龍11和尼龍12,或有稱為PA11和PA12。

PA是聚酰胺polyamide的縮寫,數字代表材料中碳原子的數量。兩者在材料特性上都相似,PA11稍具柔韌性和耐衝擊性,而PA12則更堅固,更耐磨損且具有生物相容性。

SLS打印件的特性

典型的SLS印刷零件的孔隙率約為30%。孔隙率使SLS零件具有獨特的顆粒狀表面光潔度。這也意味著SLS零件可以吸收水,因此可以在熱水浴中輕鬆將其染色為多種顏色,而且如果要在潮濕的環境中使用它們,則需要進行特殊的後處理。

收縮和翹曲

SLS零件容易收縮和翹曲:隨著新燒結層的冷卻,其尺寸減小並且內部應力增大,從而將下層向上拉。

在SLS中,收縮通常是3%到3.5%,所以機器操作員會在準備階段考慮到這一點,並相應地調整設計的大小尺寸。

過度燒結

當輻射熱將未燒結的粉末融合在特徵周圍時,就會發生過度燒結。這可能會導致狹小特徵(例如槽和孔)的細節丟失。

過度燒結取決於特徵尺寸和壁厚。例如,一個0.5毫米寬的槽或一個直徑為1毫米的孔將成功地打印在2毫米厚的壁上,但是當壁厚為4毫米或更大時,這些功能將消失。根據經驗,可以在SLS中打印寬度大於0.8毫米的槽和直徑大於2毫米的孔,而不必擔心過度燒結。

移除粉末

由於SLS不需要支撐材料,因此帶有空心部分的零件可以輕鬆準確地打印。中空部分可減少零件的重量和成本,因為使用的材料更少。需要有孔,以從組件內部除去未燒結的粉末。建議在設計中添加至少2個最小5 mm直徑的孔。

如果需要高剛度,則零件必須完全實心打印。另一種選擇是做一個空心設計,省去孔。這樣,緊密堆積的粉末將被留在零件中,從而增加其質量並提供一些額外的抵抗機械負載,​​而不會影響製造時間。可以將內部蜂窩狀網格結構添加到中空的內部(類似於FDM中使用的填充圖案),以進一步提高組件的剛度。以此方式鏤空零件也可以減少翹曲。

以下片段示範了SLS 3D打印過程:

後期處理

SLS零件生產的零件表面具有粉末狀,顆粒狀的表面,很容易弄髒。使用各種後處理方法,例如拋光,染色,噴漆和上漆,可以將SLS打印零件的外觀提高到很高的標準。它們的功能還可以通過施加防水塗層或金屬鍍層來增強。

SLS 3D打印技術除了可以製作快速模型外,亦可用於小批量生產。SLS 3D打印其中一個好處是它在打印過程中不需要加上支撐,這是因為模型本身會被打印粉末承托著。不過它也有缺點,由於它是工業式打印機,所以一般需要專門的實驗室環境,而且維護所需費用也會比較貴。另一方面,打印完成後的物品表面會有粉末顆粒的質感及激光光斑。

雖然SLS 3D打印技術越來越被廣泛應用,但由於價錢仍然非常昂貴,後處理比較繁複以及打印機的尺寸很大,所以相對FDM及DLP,SLA 3D打印技術的普及性仍然有一段距離。不過隨著SLS 3D技術不斷發展,以及新的材料的研發,相信日後SLS也會像FDM等技術一樣普及。

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