SLS 3D打印–終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   397天前

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3D打印技術(shù)的進(jìn)步使SLS 3D打印機(jī)變得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、結(jié)構(gòu)緊湊。早前，所有的SLS機(jī)器都非常笨重和昂貴，但現(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了許多適合辦公室使用的臺(tái)式SLS 3D打印機(jī)。與注塑成型和CNC銑削等傳統(tǒng)制造方法相比，即使是工業(yè)機(jī)器也變得成本更低，使用更方便。

考慮到當(dāng)今供應(yīng)鏈的混亂以及不斷攀升的制造和運(yùn)輸成本，SLS 3D打印是一種替代方案，可幫助企業(yè)在內(nèi)部制造原型、備件甚至生產(chǎn)。

SLS 3D打印技術(shù)能夠快速制造出具有優(yōu)異機(jī)械性能和高分辨率的工程級(jí)零件，因此備受工程師和工業(yè)設(shè)計(jì)師青睞，用于制造功能性快速原型和大批量最終使用零件。

最近，威爾遜體育用品公司（Wilson Sporting Goods）在2023年NBA扣籃大賽上首次亮相的3D無(wú)氣原型籃球就是一個(gè)SLS打印部件。該原型籃球展示了該技術(shù)一體打印部件和柔性材料的能力，未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)在體育用品商店的貨架上。

Wilson籃球原型是用EOS 3D打印機(jī)3D打印的，是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的展示（來(lái)源：Wilson）

SLS3D打印特別適合的行業(yè)包括：

汽車（夾具和固定裝置、原型車、賽車零件）

航空航天（原型、工具、風(fēng)管）

醫(yī)療和保健（假肢、牙套）

消費(fèi)電子產(chǎn)品（外殼、原型）

軍用（替換零件、握把）

重工業(yè)（砂型鑄造模型、模具）

如今，SLS 3D打印技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗趶?qiáng)度、表面光潔度和精度方面可與注塑成型產(chǎn)品媲美，而且生產(chǎn)成本更低，生產(chǎn)速度更快，生產(chǎn)量更小。此外，與注塑成型相比，3D打印可以制造出注塑成型無(wú)法制造的零件，例如具有內(nèi)部通道、晶格結(jié)構(gòu)和其他復(fù)雜幾何特征的零件。

一、SLS打印機(jī)如何工作？

SLS3D打印機(jī)燒結(jié)零件一層的粉末（來(lái)源：Formlabs）

SLS是一種粉末床熔融技術(shù)，使用激光選擇性地?zé)Y(jié)（而非熔化）聚合物粉末顆粒，通過(guò)熱量和壓力將它們逐層熔合，直至制造出3D設(shè)計(jì)。SLS打印機(jī)可以有一個(gè)或多個(gè)不同類型（光纖激光器、二極管激光器、二氧化碳激光器等）和功率（10瓦、60瓦、100瓦、1000瓦）的激光器。

工藝開(kāi)始時(shí)，先將裝滿粉末材料的粉末倉(cāng)加熱到略低于聚合物的熔化溫度。重涂刀片在構(gòu)建平臺(tái)上涂抹一層薄薄的粉末。接著，激光（或多個(gè)激光）掃描粉末層的輪廓，并將粉末顆粒燒結(jié)。為確保部件完全牢固，需要對(duì)所需部件的整個(gè)橫截面進(jìn)行掃描。完成一層后，構(gòu)建平臺(tái)向下移動(dòng)，刀片用干凈的粉末重新覆蓋表面。此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到完成一個(gè)或多個(gè)部件。

SLS 3D后從松散尼龍粉末床上挖掘出的原型方向盤(pán)

打印過(guò)程結(jié)束后，還需要進(jìn)行大量的后處理工作。一旦構(gòu)建室冷卻下來(lái)（可能需要幾個(gè)小時(shí)），您就會(huì)發(fā)現(xiàn)固體3D打印部件被包裹在未燒結(jié)的松散粉末床中。要取出部件，您需要將構(gòu)建室?guī)У揭粋€(gè)除粉站。使用刷子、壓縮空氣鼓風(fēng)機(jī)或其他形式的噴射技術(shù)，將松散粉末清除并收集起來(lái)，以備下次打印使用。附加的除粉裝置可以減少混亂，但自然也會(huì)增加SLS投資的總成本。

與其他一些3D打印技術(shù)不同的是，剩余的粉末可以在下一次打印作業(yè)中重復(fù)使用。根據(jù)機(jī)器的不同，您需要為下一次打印添加10%到70%的新鮮粉末。

二、SLS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

使用SLS技術(shù)（左）和使用長(zhǎng)絲的FDM技術(shù)將功能性自行車零件打印為一件（來(lái)源：Sinterit）

與使用聚合物長(zhǎng)絲的3D打印機(jī)（稱為FDM打印機(jī)）相比，選擇SLS技術(shù)的主要原因是為了獲得機(jī)械性能和表面質(zhì)量?jī)?yōu)異且穩(wěn)定的打印件。當(dāng)然，F(xiàn)DM可用于制造工業(yè)零件，特別是在使用工程級(jí)材料（如PEEK和碳纖維填充尼龍）時(shí)，可以制造出非常堅(jiān)固的零件，但SLS通常因其表面質(zhì)量（可輕松染色和加工）、速度以及在一個(gè)打印周期內(nèi)生產(chǎn)小批量零件的能力而被選用。

機(jī)械特性

SLS使用的激光能將聚合物顆粒熔化成固體，因此層與層之間幾乎無(wú)法察覺(jué)。其強(qiáng)度和耐用性與注塑成型部件相當(dāng)（甚至更好）。使用工業(yè)級(jí)材料（如注入碳纖維的尼龍）進(jìn)行SLS 3D打印，生產(chǎn)出的零件強(qiáng)度足以在惡劣條件下使用。

設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)

與注塑成型或機(jī)械加工相比，工程師轉(zhuǎn)向SLS 3D打印的另一個(gè)原因是，它可以生產(chǎn)出傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)或不切實(shí)際的復(fù)雜設(shè)計(jì)零件。設(shè)計(jì)師可以將通常需要多個(gè)零件的復(fù)雜裝配整合在一起。這有助于減輕薄弱環(huán)節(jié)，縮短裝配時(shí)間?？梢詣?chuàng)建具有內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的零件，在保持強(qiáng)度的同時(shí)減輕重量。

快速、高效

對(duì)于功能性、耐用性原型和最終使用部件而言，SLS打印是一種普遍快速的增材制造技術(shù)，但速度取決于打印機(jī)。例如，一臺(tái)工業(yè)用12激光SLS打印機(jī)的打印速度要比一臺(tái)單激光設(shè)備快。也就是說(shuō)，SLS比FDM使用的層沉積方法更快。

同時(shí)，您也不必局限于一次打印一個(gè)零件。事實(shí)上，您可以在構(gòu)建室中裝滿零件，這對(duì)于一次打印多個(gè)迭代零件特別有用。

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠

特別是對(duì)于小批量備件、原型和定制工具而言，由于不需要工具或模具，按單件計(jì)算，SLS3D打印的成本低于傳統(tǒng)制造方法。

如果您的企業(yè)需要小批量產(chǎn)品、原型和獨(dú)特零件（如夾具和固定裝置），即使購(gòu)買(mǎi)了機(jī)器和材料，SLS3D打印通常也是更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。不過(guò)，從魔猴網(wǎng)3D打印平臺(tái)直接訂購(gòu)SLS零件則更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

三、SLS3D打印材料

SLS粉末材料可以生產(chǎn)具有從剛性到柔性的一系列機(jī)械性能的零件（來(lái)源：PowderMonkeys）

以下是當(dāng)今使用的最流行的SLS 3D打印材料的概述。

最受歡迎的SLS粉末材料：

PA 12（尼龍）

PA 11（尼龍）

彈性體（TPU、TPE、TPC）

PA 12 CF（碳纖維填充尼龍）

PA 12-GF（玻纖填充尼龍）

鋁化物（鋁填充尼龍）

生物醫(yī)學(xué)

PEEK

PEKK

聚丙烯（PP）

四、SLS打印機(jī)軟件和工作流程

Sinterit Studio 3D打印軟件管理打印機(jī)的自動(dòng)嵌套、切片和打印配置文件（來(lái)源：Sinterit）

您可以使用任何CAD軟件（Fusion 360、SolidWorks、Onshape等）設(shè)計(jì)用于SLS 3D打印的零件或產(chǎn)品。設(shè)計(jì)完成后，將其導(dǎo)出為可3D打印的文件格式，如STL、OBJ或3MF，然后將其上傳到SLS打印機(jī)的軟件中。每臺(tái)SLS打印機(jī)都由專有軟件運(yùn)行，將您的數(shù)字零件文件轉(zhuǎn)化為代碼，打印機(jī)可根據(jù)代碼生產(chǎn)零件。

與FDM機(jī)器的大量免費(fèi)通用軟件不同，SLS 3D打印機(jī)通常都有自己的軟件，這也是購(gòu)買(mǎi)打印機(jī)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素，因?yàn)橛行㏒LS打印機(jī)具有獨(dú)特的功能。

在SLS打印機(jī)軟件中，您可以指定一系列打印設(shè)置，確定部件在構(gòu)建腔內(nèi)的方向和排列，并將數(shù)字模型切割成單個(gè)層進(jìn)行打印。更先進(jìn)的SLS機(jī)器通常具有更先進(jìn)的軟件功能，可以對(duì)設(shè)置進(jìn)行微調(diào)，以獲得最佳效果。許多機(jī)器還具有預(yù)設(shè)的打印配置文件，可自動(dòng)完成整個(gè)過(guò)程。

設(shè)置完成后，打印準(zhǔn)備軟件會(huì)通過(guò)無(wú)線或有線連接向打印機(jī)發(fā)送指令。軟件會(huì)給出預(yù)計(jì)打印時(shí)間。如果您使用不止一臺(tái)SLS打印機(jī)，有些軟件解決方案會(huì)在一個(gè)控制面板上提供所有打印作業(yè)的信息，包括打印準(zhǔn)備、作業(yè)狀態(tài)和實(shí)時(shí)打印機(jī)性能。

五、SLS零件著色和后處理

SLS3D成型機(jī)可以提供成批的零件，加快迭代和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，但在打印之后，許多公司都會(huì)遇到費(fèi)時(shí)費(fèi)力的后處理任務(wù)。從粉末床中取出零件、收集未使用的粉末、手工或使用標(biāo)準(zhǔn)水鎬和空氣噴射器清潔每個(gè)零件，這些都會(huì)增加零件生產(chǎn)的時(shí)間。如果零件數(shù)量較多，如果沒(méi)有自動(dòng)化后處理解決方案，這些工作很快就會(huì)成為負(fù)擔(dān)。在完成基本清洗后，還需要更多步驟才能達(dá)到所需的顏色和表面紋理。

許多用于清潔和加工SLS 3D打印零件的工具、機(jī)器和產(chǎn)品并不是增材制造所獨(dú)有的。在大多數(shù)情況下，SLS 3D打印部件可以像其他類型的塑料部件一樣，根據(jù)塑料類型進(jìn)行后處理。也就是說(shuō)，有一些公司專門(mén)從事3D打印后處理，我們將在下文介紹的技術(shù)中提及這些公司。

清洗和粉末回收

雖然可以使用各種標(biāo)準(zhǔn)工具清除打印部件上的松散粉末，但回收未使用的粉末以供再利用是快速成型制造的一個(gè)獨(dú)特過(guò)程。許多SLS 3D打印機(jī)制造商還提供了動(dòng)力處理站，可消除收集松散粉末時(shí)的混亂和潛在危險(xiǎn)。要想最終獲得可重復(fù)使用的粉末，同時(shí)減少粉塵和環(huán)境污染，請(qǐng)選擇封閉式除粉或粉末處理站。

Formlabs Fuse Blast于2023年底推出，是一款零件清洗機(jī)，可以節(jié)省數(shù)小時(shí)的體力勞動(dòng)（來(lái)源：Formlabs）

下圖所示的Sinterit公司的一款設(shè)備將多個(gè)粉末管理流程整合到一個(gè)設(shè)備中，簡(jiǎn)化了操作步驟。該工作站有一個(gè)吸孔，可加快除粉速度，還有一根可拆卸的兩米長(zhǎng)吸管，與真空吸塵器相連。未燒結(jié)的粉末被自動(dòng)輸送到工作臺(tái)下方的篩分模塊，在那里與新粉混合，以備下一次作業(yè)。

介質(zhì)爆破

雖然空氣噴射對(duì)于去除SLS零件上的松散粉末非常有效，但介質(zhì)噴射則更進(jìn)一步。在這種工藝中，砂或玻璃珠等研磨介質(zhì)會(huì)在高壓下噴射到零件上，以產(chǎn)生所需的表面拋光效果。同樣，這也是一種用于其他類型制造的工藝，因此您可以選擇多種設(shè)備。

介質(zhì)翻滾

介質(zhì)滾揉是一種超越介質(zhì)噴射的平滑工藝，也可用于替代手工噴射。在滾揉過(guò)程中，零件會(huì)被加入一個(gè)滾揉倉(cāng)，其中包括塑料球等其他介質(zhì)。工件一起翻滾，從而獲得緞面般的表面效果。對(duì)于具有尖銳邊緣或易碎特征的零件，不建議使用這種技術(shù)。滾揉機(jī)可與其他制造技術(shù)配合使用，起價(jià)低至幾百美元。

蒸汽平滑

在蒸汽平滑處理過(guò)程中，零件的表層會(huì)被蒸汽室中的化學(xué)溶劑溶解。其結(jié)果是形成平滑、光亮、均勻的表面，并保持零件的機(jī)械性能。平滑效果不僅限于外部。具有內(nèi)部通道或其他復(fù)雜特征的復(fù)雜零件也能從這種技術(shù)中受益。

Xioneer的Vortex EZ染色站為小批量3D打印零件著色（來(lái)源：Xioneer）

染色

選擇性激光燒結(jié)的世界并非黑白分明。事實(shí)上，您的SLS零件可以染成任何顏色，并進(jìn)行一系列表面處理，使其與注塑模具零件無(wú)異。著色和表面處理有人工技術(shù)，但自動(dòng)化解決方案是速度和產(chǎn)量的理想選擇。

為SLS零件著色的領(lǐng)先企業(yè)是DyeMansion。該公司提供的DM60幾乎可以批量對(duì)任何顏色的零件進(jìn)行深度染色。如果您還沒(méi)有準(zhǔn)備好投資購(gòu)買(mǎi)自己的DM60，那么許多服務(wù)提供商都可以提供DyeMansion染色服務(wù)。

遺憾的是，每個(gè)零件只能進(jìn)行一種顏色的染色，但SLS印刷品是可以上漆的。在進(jìn)行清漆保護(hù)后，上色的選擇就不受限制了。

使用DyeMansion后處理設(shè)備染色的聚合物激光粉末床融合部件（來(lái)源：DyeMansion）

涂料

與其他類型的塑料零件一樣，SLS 3D打印零件也可以使用各種涂層，包括使零件具有金屬外觀的金屬電鍍、使零件具有耐化學(xué)性的陶瓷涂層。

編譯整理：ALL3DP