核心定义
选区激光烧结，英文全称为 Selective Laser Sintering，常缩写为 SLS，它是一种增材制造（Additive Manufacturing，俗称3D打印）技术。
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其核心原理是：使用高能激光束，按照计算机预先切片好的三维模型截面轮廓，有选择地逐层烧结（或熔融）粉末材料，使粉末颗粒熔化后凝固在一起，层层叠加，最终直接从CAD数字模型制造出复杂的实体零件。
就像用激光当“笔”，用粉末当“墨”，在三维空间里“写”出一个立体的物体。
核心原理步骤详解
SLS的制造过程是一个层层叠加的循环过程,主要包含以下四个关键步骤：
步骤1：铺粉
- 过程：在成型缸中，已经构建好的部分会下降一个层厚的距离（通常为0.05mm - 0.15mm），一个叫做“刮刀”或“滚筒”的装置会从粉末储料箱中取来新的粉末材料，并将其均匀地铺在成型缸的顶部，形成一层致密、平整的粉末薄层。
- 关键点：铺粉的厚度和均匀性直接决定了零件的表面粗糙度和尺寸精度。
步骤2：激光扫描烧结
- 过程：计算机根据当前层的2D切片数据，控制激光束在铺好的粉末层上进行精确扫描，激光照射到的粉末颗粒会迅速吸收能量，温度升高到熔点或熔融温度以上，颗粒之间发生烧结或完全熔化，冷却后凝固,形成牢固的结合。
- 关键点：
- 选择性：激光只扫描零件的轮廓内部，未扫描区域的粉末保持原样,作为下一层的支撑。
- 能量控制：激光的功率、扫描速度、扫描间距等参数经过精确控制，以确保材料充分熔合,同时避免因能量过高而破坏已成型部分或产生过大热应力。
- 烧结 vs. 熔融：SLS是“烧结”，即粉末颗粒在低于其熔点的温度下，通过原子扩散粘结在一起，但在很多情况下（尤其是在尼龙等高分子材料中），这个过程更接近于“熔融”，即粉末被完全熔化再凝固,工业上通常统称为SLS。
步骤3：层层叠加
- 过程：一层扫描完成后，成型缸下降一个层厚，刮刀再次铺上新一层的粉末，然后激光对新的一层进行扫描,将新层与下面已经固化的部分牢固地粘合在一起。
- 关键点：这个过程不断重复，从下往上，一层一层地堆积,直到整个零件的所有层都被构建完成。
步骤4：后处理
- 过程：当最后一层扫描完成后，整个成型过程结束，零件被包裹在一个巨大的、松散的粉末块中，需要将这个“粉末块”从成型设备中取出。
- 后处理包括：
- 去粉：通过刷子或喷枪小心地将零件表面和内部孔隙中未烧结的松散粉末清除掉，这些未烧结的粉末可以回收再利用,是SLS技术的一大成本优势。
- 清理：对于一些复杂的内部结构,可能需要通过喷砂等方式进一步清理。
- 强化处理（可选）：为了提高零件的力学性能，通常会进行渗树脂处理，将零件放入真空容器中，让液态树脂渗入零件内部的微小孔隙中，然后固化,从而显著提高零件的强度和韧性。
- 表面处理（可选）：根据需求，可以进行喷砂、上色、镀膜等处理,以改善外观和性能。
关键组成部分
一个SLS系统主要由以下部分构成：
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- 激光器：提供高能光源，通常是CO₂激光器或光纤激光器。
- 扫描振镜系统：由两个高精度镜片组成，通过偏转激光束的反射角度，实现激光在X-Y平面上的快速、精确定位和扫描。
- 粉末缸与成型缸：两个并列的缸体，一个用于储存粉末,一个用于构建零件。
- 刮刀/铺粉系统：用于均匀铺设每一层粉末。
- 计算机与控制系统：负责接收CAD模型数据，进行切片处理,并精确控制激光的扫描路径和设备的各种动作。
- 工作仓：一个充满氮气等惰性气体的密闭环境。
为什么需要惰性气体环境？
这是一个非常重要且独特的特点，SLS设备的工作仓内必须充满高纯度的氮气（N₂）或氩气等惰性气体,而不是空气。
- 原因1：防止氧化：许多SLS使用的材料（如金属、尼龙）在高温下极易与空气中的氧气发生氧化反应，这会：
- 降低零件的力学性能（如韧性、强度）。
- 在零件表面形成氧化层,影响后续加工和使用。
- 产生有害气体。
- 原因2：提高材料性能：对于某些材料（如尼龙），惰性气氛可以防止其发生水解等降解反应,确保材料在打印过程中保持稳定的性能。
- 原因3：安全：对于金属粉末，在高温下与氧气混合有爆炸的风险。
SLS技术的优缺点
优点：
- 无需支撑结构：这是SLS最大的优势之一，因为未烧结的粉末本身就是下方各层的天然支撑，所以可以轻松制造出具有复杂悬垂结构、内部空腔和通道的零件,而无需像FDM或SLA那样设计并移除支撑。
- 材料选择广泛：可以加工的材料种类非常多，包括高分子聚合物（如尼龙、TPU）、金属（如不锈钢、钛合金、铝）、陶瓷,甚至复合材料。
- 各向同性：由于零件是在粉末床中由无数微小熔融点构成的，其力学性能在各个方向上基本一致,不像一些其他3D打印技术那样存在明显的层间薄弱点。
- 材料利用率高：未使用的粉末可以100%回收再利用，大大降低了材料成本,减少了浪费。
- 生产效率高：一次成型可以构建多个零件，适合小批量、定制化生产。
缺点：
- 设备成本高昂：SLS设备和维护费用都非常昂贵。
- 表面质量相对较差：由于是粉末成型，零件表面会呈现典型的颗粒状纹理，不如SLA或FFF技术光滑,通常需要进行后处理。
- 存在内部孔隙：即使是完全熔化的零件，内部也可能存在微小孔隙，影响其密度和气密性，渗树脂处理可以改善这一点,但并非所有应用都适用。
- 后处理复杂：零件从粉末块中取出和清理需要小心操作，对于复杂零件可能很耗时,渗树脂等后处理步骤也增加了工艺的复杂性。
- 尺寸限制：受限于成型缸的大小,可打印零件的尺寸有限。
典型应用领域
- 快速原型：快速制造功能原型和视觉原型，用于设计验证、装配测试和市场展示。
- 小批量生产：直接用于制造最终零件，尤其适合定制化、小批量的终端产品，如齿科、骨科植入物、航空航天零件、汽车零部件等。
- 工装夹具：制造各种定位夹具、装配夹具和检测工具,帮助生产线实现柔性化。
- 消费品：制作个性化定制的产品，如鞋履中底、眼镜框、时尚饰品等。
选区激光烧结是一种功能强大且应用广泛的增材制造技术，其核心在于利用激光的能量在粉末床中选择性地构建三维实体，凭借其无需支撑、材料利用率高和能制造复杂结构的特点,在工业制造领域占据了不可或缺的地位。
