选择性激光烧结的研究进展

随着我国科学技术研究的发展，我国的工程技术学研究也取得了良好的成就。其中材料快速成型技术的应用为“中国制造”和“中国生产”世界品牌的打响打下了良好的基础。目前，以广泛应用于工程制造的快速成型技术包括立体光固化快速成型技术、三维印刷成型技术、激光熔覆成形技术、熔融沉积制造技术、选择性激光烧结技术等。其中选择性激光烧结技术因其涉制造材料广泛、工艺简单、综合成本低等优势而广泛应用与航空航天、生物医学、工程材料等领域。研究选择性激光烧结技术对扩大陶瓷、金属等材料的应用范围和提高材料的功能有着重要的意义。

1 工艺原理

选择性激光烧结采用铺粉辊将粉末状的材料铺平在成形的零件表面上，同时加热至低于该材料墨粉烧结节点的温度，以计算机控制系统控制激光束扫描该粉截面轮廓，粉末交界处的温度升高到熔化点时开始烧结，并与下层成形件时间完美接合。当上层界面完成烧结后，工作台降低一层，铺料辊重复上一动作，在上面再铺一层均匀而密实的粉末，逐层进行烧结，直到完成整个零件或模型的烧结。整个成形过程，未经烧结的粉末具有支撑部分模型悬臂和窄腔的作用，因此无需独立的支撑结构。相对于FDM工艺和SLA工艺而言，选择性激光烧结工艺的快速制件过程简单、成本低，气温烧结支撑的工件精度高、可应用范围广、综合性能更加优良[1]。

2 技术应用

选择性激光工艺技术广泛应用与电子机械、通讯、生物医疗、航空航天等领域，促进了更多的领域快速之间从传统向信息化转型的过程。近些年，利用选择性激光烧结技术制成的多功能金属和陶瓷零件等在无机粉体、生物骨骼、高分子材料等方面取得了显著的应用效果和广泛的认可。如陶瓷粉末制成的人工骨骼、肢体等零件，因综合应用优势明显而在生物医学等领域得到关注。选择性激光烧结技术的研究也因此成为一个热点课题。

2.1 在无机粉体中的应用

无机粉体在绝缘导体、生物医学、金属切割等方面有着极高的应用价值。随着新型材料的应用，以上领域对无机粉体的应用性能不断提高。为了满足无机粉体在现代社会的应用，高性能的无机粉体顺势而发展。陶瓷作为广泛应用的新型材料，借助选择性激光烧结技术，可以实现其力学性能的改变，提高陶瓷的稳定性，是其性能更加优化。如Tang等用铝粉浇铸的水不溶性半晶状聚乙烯醇，以聚甲基丙烯酸铵做分散剂，采用选择性激光烧结技术，就可以在原有的陶瓷制件基础上提高陶瓷件的强度、稳定性等性能。

2.2 在生物骨骼中的应用

生物骨骼是现代医学中得到了广泛的应用。如人造骨骼、生物组织、人体植入件、解剖模型等。以人造骨骼为例，高性能的人造骨骼应用于临床不仅可以延长人体骨骼的使用年限，还能极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点。2015年金光辉等以纳米羟基磷灰石/聚己内酯为原料采用选择性激光烧结技术快速制出的人工支架，重点研究了人工支架的生物相容性、生物活性、理化性质等，最终认定选择性激光烧结技术制成的人工支架完全具备优良的生物性与化学性，且成本相对传统工艺要低。该项研究为新型人工骨骼的快速成型技术奠定了基础。

2.3 在高分子材料中的应用

高分子材料在二十一世纪的应用非常普遍。关于更高性能的高分子材料的研究仍旧时一个热点课题。如聚酰胺基复合材料填充金属或陶瓷，制成的共件或模型不仅硬度高、进度高，外型更加美观。如铝填充聚酰胺基质得到的烧结件。目前，聚丙烯、聚已酸内酯、尼龙、聚噻吩、聚酰胺、聚醚醚酮树脂等高分子材料为原料的烧结工艺研究较为广泛。Salmoria等以PA12为原料，以多壁碳纳米管为分散剂，对采用选择性激光烧结工艺制成的复合件进行性能测试，烧结件的计算强度、弯曲模量、伸长率分别为（94±9）MPa（PA12=（86±5）MPa）、（718±125）MPa（PA12=（546±28）MPa）、9%%（PA12=11%%）。其机械性能和力学性能得到显著改善[2]。

3 后处理工艺的研究

烧结成形的元件强度非常弱，需要根据具体的要求采用渗树脂或蜡的后处理工艺进行补强。后处理工艺不同，选择性激光烧结成型件的性能也会存在差异。常规的选择性激光烧结工艺快速成型件表面会呈现粉末，后处理需要用刷子刷去表面粉末，露出工件部分。残余粉末可采用压缩空气去除。一般先将成型件加热到低温，汽化后取出聚合物，在加热到高温并保温，来稳定金属粉末，是烧结件保持原有的形状[3]。

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