2.1　聚合物及其復合粉末材料的SLS成形原理

SLS是一種基于粉末床的增材制造技術，它采用高能激光束作為能量源，根據零件的三維數據模型選擇性地燒結指定區域內的粉末材料，并逐層加工最終得到三維實體零件。SLS技術是由美國得克薩斯大學奧斯汀分校的研究生Carl Deckard所發明，并于1986年申請了專利。1989年，他們創立了DTM公司將該技術進行商業化，該公司在1992年正式推出了第一款真正意義的商業機型SinteStation 2000。DTM公司于2001年被美國3D Systems公司收購，后者借此成為全球最大的增材制造設備與服務廠商之一。德國的EOS公司是另一家SLS設備與材料生產商，在全球增材制造市場上占有重要份額。國內對于SLS技術的研究幾乎與國外同步，開始主要集中在華中科技大學、西安交通大學、南京航空航天大學、中北大學等科研院所。北京隆源自動成型系統有限公司、武漢華科三維科技有限公司和湖南華曙高科技有限責任公司等在設備生產、材料研發和推廣應用方面走在國內同行的前列。

SLS技術的工藝原理如圖2-1所示，首先采用計算機造型軟件構建目標零件的三維CAD模型，然后通過切片軟件將三維實體模型進行逐層切片，并存儲為包含切片截面信息的STL文件；隨后通過鋪粉裝置在工作缸上均勻鋪設一層粉末材料，CO₂激光器在計算機的控制下，根據各層截面的信息掃描相應區域內的粉末，被掃描的粉末被燒結在一起，未被激光掃描的粉末仍呈松散狀態并作為下一燒結層的支撐；當一層加工完成后，工作臺面下降一定的高度（約0.1～0.3mm），送粉缸上升并進行下一層的鋪粉，隨后激光掃描該層粉末并將之與上一燒結層連接在一起；如此重復直至所有的截面燒結完成，去除未燒結的粉末即可得到最終的零件。

在整個SLS制造過程中，主要分為預熱、成形和冷卻三個階段。

（1）預熱階段

在SLS成形開始之前，成形腔內的聚合物粉末通常需要被預熱到一定的溫度T_b，并在后續的成形過程中一直維持恒定直至結束。預熱的目的主要有：①降低燒結過程中所需要的能量，防止激光能量過大而造成材料分解；②減小已燒結區域和未燒結粉末之間的溫度梯度，防止零件翹曲變形。通常，半結晶態聚合物的預熱溫度高于其結晶起始溫度T_ic而低于其熔融起始溫度T_im，該溫度區間被稱為燒結窗口（sintering window）。非晶態聚合物的預熱溫度則接近其玻璃化轉變溫度T_g。

（2）成形階段

成形階段實質為預熱溫度下的粉末鋪設和激光掃描的周期性循環過程。在成形第一層之前，需要在工作缸上鋪設一定厚度的粉末，以起到基底和均勻溫度場的作用。經過一段緩慢而均勻的升溫之后，第一層粉末達到預熱溫度T_b時，激光則開始掃描相應的區域，使該區域內粉末的溫度迅速升高至T_max超過其熔融溫度，相鄰粉末顆粒之間發生燒結。激光掃描結束后，經過短暫的鋪粉延時t₁，使已燒結區的溫度逐漸降至T_b，然后工作缸下降并進行下一層的鋪粉。新鋪設的粉末通常在粉缸內經過初步預熱至T_f（T_f<T_b），目的是為了降低新粉末對已燒結區域的過冷作用，同時減少從T_f預熱至T_b的時間t₂。當第二層粉末溫度達到T_b時，激光再次掃描指定區域，使層內的粉末發生熔合，同時使層間也發生連接。重復以上過程，直至整個零件加工結束。

（3）冷卻階段

在成形階段完成之后，必須使粉床完全冷卻才能取出零件。一般地，整個粉床在加工過程中均保持在結晶起始溫度T_ic之上，直至成形結束粉床才整體降溫，目的是為了減小因局部結晶產生非均勻收縮而引起的零件翹曲變形。在實際的成形過程中，即使成形腔和粉床均有預熱，成形的零件也會因各種原因不同程度地降溫，尤其是粉床底部區域。局部降溫對SLS成形性能的影響因材料而異，燒結窗口較寬的材料成形性能較好；而燒結窗口較窄的材料則更容易受到影響，這另一方面也對SLS設備的溫控能力提出了嚴格的要求。冷卻速率也會對零件的性能造成影響。以半結晶態聚合物材料尼龍12為例，緩慢冷卻（1℃/min）有利于其形核結晶，導致強度提高，韌性降低；當冷卻速率較快時（23.5℃/min），其結晶程度低，代表柔性的非晶區域增多，從而強度下降，韌性提高。

對于典型的半結晶態聚合物而言，粉末材料在SLS成形不同階段內的受熱過程可以通過差示掃描量熱（DSC）曲線來描述（如圖2-2所示）。不同的序號代表不同位置的材料所處的狀態。1為未燒結粉末的預熱狀態；2為激光掃描狀態，此時粉末的溫度達到峰值T_max；3為已燒結區域，溫度逐漸回復至預熱溫度T_b。這三個狀態在成形階段循環出現，在兩個循環之間，聚合物熔體還會因為新粉的鋪設而出現瞬時的過冷（圖中未表示）。4～6則代表不同燒結層的溫度狀態。隨著加工的進行，上一燒結層具有更低的溫度，為了防止因結晶而產生的收縮變形，粉床應盡量維持在燒結窗口溫度區間內。