选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印技术指南

Selective laser sintering (SLS)

选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印技术因其能够生产坚固的功能性部件,受到不同行业工程师和制造商的信赖。 在这份详尽指南中,我们将介绍选择性激光烧结流程、市场上不同的系统和材料、使用 SLS 打印机的工作流程、各种应用以及何时考虑使用 SLS 3D 打印技术而不是其他快速成型和传统制造方法。

sls example 3d printed part
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选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印技术介绍

您是否正在寻找一台 3D 打印机来制造坚固的功能性部件?下载我们的白皮书,了解 SLS 打印技术的工作原理以及为什么这种 3D 打印流程适合用于功能原型制造和成品生产。

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什么是选择性激光烧结 3D 打印?

选择性激光烧结是一种增材制造 (AM) 技术,利用高功率激光将聚合物粉末的小颗粒烧结成基于 3D 模型的固体结构。 

几十年来,SLS 3D 打印技术一直是工程师和制造商的热门选择。低部件成本、高生产力和成熟的材料使该技术成为从快速原型制造到小批量、过渡式或定制制造等一系列应用的理想选择。

最近在机械、材料和软件方面的进步使得 SLS 打印技术被更广泛的企业所使用,越来越多的企业能够使用这些以前只限于少数高科技行业的工具。

在此,我们为您呈现 Fuse 1,令高性能 SLS 3D 打印技术触手可及。

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SLS 3D 打印技术工作原理

Selective Laser Sintering (SLS) infographic

选择性激光烧结流程示意图。SLS 3D 打印技术使用高功率激光将小颗粒的聚合物粉末烧结成基于 3D 模型的固体结构。

  1. 打印:粉末被薄薄地分散在成型室内部的平台之上。打印机将粉末预热到略低于原材料熔点的温度,这使得激光在描摹模型以固化部件时,更容易提高粉末床特定区域的温度。激光扫描 3D 模型的横截面,将粉末加热到接近材料熔点或恰好达到熔点,将颗粒机械地熔合在一起,形成一个固体部件。未熔合的粉末在打印过程中支撑部件,不再需要专门的支撑结构。然后,平台逐层降低到成型室中,层高通常在 50 至 200 微米之间,每层重复这一过程,直到部件完成。

  2. 冷却:打印结束后,成型室需要在打印箱体中稍微冷却,然后拿出打印机外,以确保最佳的机械性能,避免部件变形。

  3. 后处理:完成后的部件需要从成型室中取出、分离并清洗掉多余的粉末。粉末可以回收利用,打印部件可以通过喷砂或滚压进一步进行后处理。

有关详细的工作流程,请参阅下一节中的“SLS 3D 打印技术工作流程”。

SLS 3D printed part

SLS 部件的表面略有颗粒感,但几乎没有明显的层纹。建议对 SLS 部件进行喷砂或滚压,以获得更平滑的光洁表面。本示例部件在 Formlabs Fuse 1 台式工业级 SLS 3D 打印机上打印。

由于未熔合的粉末在打印过程中支撑着部件,所以不需要专门的支撑结构。这使得 SLS 成为构造内部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等复杂几何形状的理想选择。 

使用 SLS 3D 打印技术制造的部件具有优良的机械特性,强度类似于注塑成型部件。

Infographic: Compare selective laser sintering 3D printing to two other common technologies for producing plastic parts: fused deposition modeling (FDM) and stereolithography (SLA).

 

将选择性激光烧结 3D 打印技术与其他两种常见的塑料部件生产技术进行比较:熔融沉积成型 (FDM) 和立体光固化 (SLA)。

SLS 3D 打印技术简史

选择性激光烧结是最早的增材制造技术之一,由德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard 博士和Joe Beaman 博士于 20 世纪 80 年代中期开发。此后,他们的方法被调整以适用于一系列材料,包括塑料、金属、玻璃、陶瓷和各种复合材料粉末。如今,这些技术统称为粉末床熔融 - 热能选择性熔化粉末床区域的增材制造流程。

目前最常见的两种粉末床熔融系统是使用塑料材料的 SLS 和使用金属材料的直接金属激光烧结 (DMLS) 或选择性激光熔融 (SLM)。一直以来,塑料和金属粉末床熔融系统都非常昂贵和复杂,限制了它们在小批量高价值或定制部件(如航空航天组件或医疗设备)中的应用。

最近,该领域的创新突飞猛进,塑料材质的 SLS 现在追随着如立体光固化 (SLA)融合沉积成型 (FDM) 等其他 3D 打印技术的脚步,以方便、紧凑的系统获得广泛的应用。

SLS 3D 打印机的类型

所有的选择性激光烧结 3D 打印机都围绕着上一节所描述的流程建立。主要区别在于激光的类型、成型体积的大小和系统的复杂程度。不同的机器使用不同的解决方案来进行温度控制、粉末分配和层沉积。

选择性激光烧结需要在整个打印过程中保持高精度和严格控制。在提取前的预热、烧结和储存三个阶段,粉末和(不完整)部件的温度必须控制在 2°C 以内,以减少翘曲、应力和热引起的变形。

传统工业级 SLS 3D 打印机

几十年来,选择性激光烧结一直是最受专业人士欢迎的 3D 打印技术之一,但其复杂性、高要求和高昂的价格限制了其在服务机构和大型企业中的应用。 

传统工业级 SLS 3D 打印系统使用单个或多个高功率激光器。打印过程需要一个惰性环境(氮气或其他气体)以防止粉末氧化和降解,这就需要专门的空气处理设备。 

这些机器还需要特殊的 HVAC 和工业级电力供应,即使是最小的工业机器也至少需要 10 平方米的安装空间。

起价为 10 万美元左右,而全套解决方案的价格更是远高于此,所以传统工业级 SLS 对于很多企业来说,一直是可望而不可及的。

Fuse 1:首款台式工业级 SLS 3D 打印机

就像 FDM 或 SLA 等其他 3D 打印技术一样,最近市场上开始出现成本较低、结构紧凑的 SLS 系统,但这些解决方案也有相当大的限制性。包括由于缺乏后处理解决方案而导致的部件质量下降和复杂的手动工作流程,这些都一直限制其在工业和生产环境中的应用。

Formlabs Fuse 1 旨在弥补这一缺憾,并通过首款台式工业级 SLS 3D 打印机打造自己的类别,该打印机提供高质量、紧凑的外形尺寸和完整而简化的工作流程,成本仅为传统工业级 SLS 系统的一小部分。

SLS 3D printer system- Fuse 1 & Sift

Fuse 1 不需要专门的基础设施,可以轻松融入您的工作空间。

Fuse 1 使用单个激光器,而且成型室较小,因而需要的加热量较少。由于粉末暴露在高温下的时间较短,因此不需要惰性气体和专门的空气处理设备。较低的能耗意味着它可以在标准的交流电下运行,而不需要专门的基础设施。

Fuse 1 采用了正在申请专利的 Surface Armor 解决方案,这种半烧结的外壳可以在打印时保持部件周围区域的均匀加热,确保良好的表面光洁度、稳定的机械性能、高可靠性和高刷新率。

为了提供紧凑而有序的生态系统和端到端的粉末处理,Fuse 1 还配备了 Fuse Sift,将部件提取、粉末回收、存储和混合整合在一个独立的设备中。 

总的来说,与入门级传统 SLS 系统相比,Fuse 1 的台式工业级 SLS 3D 打印技术仅通过稍小的成形体积就换来了大幅减少的占用空间、简化的工作流程和更低的成本。

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SLS 3D 打印机的比较

use 1:台式工业级 SLSF传统工业级 SLS 3D 打印机
费用起步价 1.85 万美元10 万 – 50 万美元以上
打印体积最大为 165 × 165 × 300 mm最大为 550 × 550 × 750 mm
优点经济实惠 高品质部件 高产量 简化的工作流程 节省空间 低维护成本大成型体积 高品质部件 高产量 多种材料选择
缺点成型体积较小 材料选择有限机器昂贵 占用空间大 设施需求 高维护成本 需要专门的操作员

SLS 3D 打印材料

最常用的选择性激光烧结材料是尼龙。尼龙是一种性能很强的工程热塑性塑料,可用于功能原型制造和成品生产。尼龙是制造复杂组件和耐用部件的理想选择,具有很高的环境稳定性。 

SLS 3D 打印的尼龙部件牢固、坚硬、结实并且耐用。最终部件具备抗冲击能力,可以承受反复的磨损。尼龙具有抗紫外线、耐光、耐热、耐湿、耐溶剂、耐温和耐水的特性。3D 打印的尼龙部件还可以具有生物相容性和不致敏性,意味着它们在许多场合都可以随时穿戴和安全使用。

Fuse parts - Nylon is ideal for a range of functional applications, from engineering consumer products to healthcare.

尼龙是从工程消费品到医疗保健等一系列功能性应用的理想选择。

尼龙是一种合成热塑性聚合物,属于聚酰胺家族。Nylon 12 Powder 广泛适用于多种应用环境,是一款万能的通用型 SLS 3D 打印粉末。Nylon 11 Powder 填补了原型制造和成品应用中对高延展性、抗冲击、抗磨损、抗碎裂的需求。

Nylon 11 Powder

Nylon 11
这是一种延展性好、强度高而又柔韧的材料,适合看重耐用性和性能的应用场合。
  • 抗冲击原型、夹具和固定装置

  • 薄壁导管和外壳

  • 卡扣、夹子和铰链

  • 矫形器和修复体*

Nylon 12 Powder

Nylon 12
这是一种多用途的通用型材料,具有高精细度和出色的尺寸精度。
  • 高性能原型制造

  • 小批次制造

  • 永久夹具、固定装置和工具

  • 通用 SLS 部件 

* 材料属性因部件的不同设计和制造规范而异。制造商应负责验证打印部件适合预期用途。

SLS 尼龙材料属性

Nylon 12 PowderNylon 11 Powder
极限拉伸强度50 MPa49 MPa
拉伸模量1850 MPa1573 MPa
断裂伸长率 (X/Y)11 %40 %
IZOD 冲击性能32 J/m71 J/m
0.45 MPa 下的热变形温度 (HDT)171 °C182 °C

Nylon 12 Powder 和 Nylon 11 Powder 都是单组分粉末,但一些 SLS 3D 打印机也可以使用双组分粉末,例如包覆粉末或混合粉末。含铝、碳或玻璃的尼龙复合材料被开发用来优化部件,使其具有更高的强度、刚度或灵活性。对于这些双组分粉末,只有玻璃化转变点较低的组分才会被烧结,将两种组分结合起来。

SLS 3D 打印技术工作流程

在此视频中,Formlabs 3D 打印运营经理 Jake Kapusta 分步展示了使用 Fuse 1 选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印机和 Fuse Sift 粉末回收站的过程。

1. 设计和准备文件

使用任意 CAD 软件或 3D 扫描数据来设计模型,并将其导出为 3D 打印文件格式(STL 或 OBJ)。每台 SLS 打印机都包含软件,用于指定打印设置、定位及排列模型、估算打印时间以及将数字模型切片成层以进行打印。设置完成后,打印准备软件通过无线或有线连接将指令发送到打印机。

SLS 3D printing software

Fuse 1 使用 PreForm 打印准备软件(免费下载),您可以在 3D 网格内无缝复制和组织多个部件,在一次打印中使用尽可能多的构建空间。PreForm 会自动建议最佳的定向和部件摆放,并能根据需要手动调整。

2. 准备打印机

准备打印机的工作流程因系统而异。大多数传统的 SLS 系统需要大量的培训、工具和人工介入来完成准备和维护工作。 

Fuse 1 以简单高效的方式重新设计了 SLS 工作流程,采用模块化组件实现了不间断打印和端到端粉末处理。

On the Fuse 1, you can load powder easily using the powder cartridge.

在 Fuse 1 上,您可以用粉末盒轻松装入粉末。 

The Fuse 1 uses a removable build chamber so you can run another print while a previous one is still cooling.

Fuse 1 使用可拆卸的成型室,因此您可以在之前的打印还在冷却时运行下一个打印任务。

 

3. 打印

一旦所有的打印前检查工作完成,机器就可以进行打印了。SLS 3D 打印所需的时间从几小时到几天不等,取决于部件的尺寸、复杂程度以及密度。

打印完成后,成型室需要在打印箱体中稍微冷却,然后再进入下一步。之后,可以移出成型室,并插入一个新的成型室来运行另一个打印任务。在后处理之前,成型室必须冷却,以确保最佳的机械性能,避免部件变形。这可能会占用最多一半的打印时间。

在 Fuse 1 上,触摸屏会在打印过程中显示打印床的实时情况,这样就可以观看全部打印过程。此摄像头视图也可通过您的电脑在 PreForm 中访问,您无需离开办公桌即可监控打印情况。

4. 部件回收和后处理

与其他 3D 打印工艺相比,SLS 部件的后处理需要的时间和人力最少。由于没有支撑结构,它很容易扩展,并且对成批的部件产生一致的结果。

打印任务完成后,从成型室中取出成品部件,将它们分开,并清理掉多余的粉末。这个过程通常在清洗站通过压缩空气或介质喷淋器手动完成。

部件回收后剩余的粉末都会经过筛滤,去除较大的颗粒,以便循环使用。未熔合的粉末在高温下会有轻微的降解,因此在以后的打印任务中应使用新的材料进行补充。这种在后续工作中重复使用材料的能力使 SLS 成为造成最少浪费的制造方法之一。

SLS 行业的共同宗旨是提供用于回收、储存和混合粉末的独立设备。在 Fuse 1 的工作流程中,Fuse Sift 作为独立设备用于提取部件和未烧结粉末,以及对粉末进行存储、配量和混合。

For the Fuse 1, Fuse Sift completes the SLS printing workflow. It offers a safe and efficient system for extracting prints and recycling powder.

Fuse Sift 与 Fuse 1 配合,共同完成 SLS 打印工作流程。它为提取打印件和回收粉末提供了一个安全高效的系统。

Fuse Sift can dispense and mix used and new powder automatically so you can reduce waste and control your powder supply.

Fuse Sift 可以自动分配和混合新旧粉末,因此您可以减少浪费并控制粉末供应。 

5. 额外的后处理

SLS 3D 打印的部件经过筛滤后就可以使用了。对于选择性激光烧结件,您也可以考虑其他几个后处理步骤。

默认情况下,SLS 3D 打印件具有颗粒状表面。Formlabs 建议对 SLS 部件进行喷砂或滚压,以获得更平滑的光洁表面。部件可以通过喷漆、上漆、电镀和涂层来获得不同的颜色、表面和性能,例如,水密性(涂层)和导电性(电镀)。Formlabs 的 SLS 部件颜色较深,所以不适合染色。

SLS part with hydrographics from Partial Hand Solutions.

采用 Partial Hand Solutions 水转印技术的 SLS 部件。

SLS parts can be electroplated for a metal-like finish.

SLS 部件可以进行电镀,获得类似金属的表面效果。

为什么要选择 SLS?

选择性激光烧结具有设计自由、高产高效、单部件成本低以及成品材料经过验证等特点,受到工程师和制造商的推崇。

设计自由

大多数增材制造流程,例如 立体光固化 (SLA) 和融合沉积成型 (FDM),都需要专门的支撑结构来制造具有悬垂特征的设计。

选择性激光烧结不需要支撑结构,因为在打印过程中,未烧结的粉末包围着部件。SLS 打印可以生产出之前无法得到的复杂几何结构,例如互锁或移动部件、带有内部组件或通道的部件,以及其他复杂度较高的设计结构。

Selective Laser Sintering (SLS) - Hand splint designed with a complex pattern to reduce weight.

手部夹板设计了复杂的图案以减轻重量。

工程师在设计部件时,一般都会考虑最终制造流程的能力,也称为可制造性设计 (DFM)。当增材制造单独用于原型制造时,仅限于传统制造工具在生产过程中最终能够呈现的部件和设计。

选择性激光烧结应用于越来越多的成品,成为一种可行的快速制造方法,有可能为设计和工程带来新的可能性。SLS 3D 打印机能够做出传统流程无法制造或制造成本过高的复杂几何形状。SLS 还使设计师能够将通常需要多个部件的复杂组件整合成一个部件。这有助于缓解薄弱的连接处,缩短装配时间。

选择性激光烧结可以将生成性设计的潜力充分发挥出来,实现传统方法无法制造的复杂格型结构的轻量化设计。

高产高效

SLS 打印技术是速度最快的增材制造技术,用于制造具有功能性和耐用性的原型制品以及成品部件。与工业 FDM 等其他流程中使用的分层沉积方法相比,熔融粉末的激光具有更快的扫描速度和更高的精度。

在打印过程中,多个部件可以紧密排列,最大限度地提高每台机器的可用构建空间。操作人员使用软件优化每次构建,以实现最高的生产力,只在部件之间留出最小的间隙。

Selective Laser Sintering (SLS) - Stacking - SLS allows operators to pack the build chamber with as many parts it can fit and print them without supports to save time in post-processing.

SLS 使操作者能够在成型室中装入尽可能多的部件,并在没有支撑的情况下进行打印,以节省后处理的时间。

经过验证的成品材料

SLS 3D 打印的功能性和广泛性关键在于材料。尼龙及其复合材料是经过验证的高品质热塑性塑料。激光烧结尼龙部件的密度接近 100%,其机械性能与使用注塑成型等传统制造方法生产的部件类似。

Selective Laser Sintering (SLS) - Drill assembly printed in Nylon PA 12. Nylon parts can be easily post-processed to achieve smooth, professional surface finishes.

用 Nylon 12 Powder (PA12) 打印的钻头组件。尼龙部件可以很容易地进行后处理,以达到光滑而专业的表面光洁度。

SLS 尼龙是普通注塑成型塑料的最佳替代品。与其他增材制造技术相比,它可以提供卓越的活动铰链、卡扣和其他机械连接。如果要求塑料部件具有经久耐用功能,则它是理想之选。相比之下,使用其他增材制造方法生产的部件会随着时间的推移而变质和变脆。

具有竞争力的单件成本

计算每个部件的成本通常需要核算设备所有权成本、材料成本和人力成本:

  • 设备所有权:一台机器在其生命周期内可以生产的部件越多,每个部件的成本就越低。因此,更高的生产力可以降低每个部件的设备拥有成本。考虑到激光的快速扫描速度、使构建能力最大化的部件嵌套以及简单的后处理,SLS 3D 打印技术提供了所有塑料增材制造技术中最高的生产力和产量。

  • 材料: 虽然大多数 3D 打印技术使用专有材料,但尼龙因其是一种常见的热塑性塑料而在工业领域大量生产,成为增材制造的最低成本原材料之一。由于 SLS 3D 打印技术不需要支撑结构,并允许使用回收的粉末进行打印,因此产生的浪费最少。

  • 人力:许多 3D 打印解决方案的致命弱点是人力。大多数工作流程都很复杂,很难实现自动化,大大影响每个部件的成本。SLS 打印技术的后处理工作流程简单,意味着所需的人力较少,且工艺易于扩展。

一台 SLS 3D 打印机代表着不菲的初始投资,但它通常可以比小型机器更快地收回初始投资。台式 SLS 大大降低了使用门槛,也降低了大多数应用的单部件成本。

当您的企业只是偶尔需要 3D 打印时,建议将生产外包给服务机构,但这样也会带来较高的成本和较长的到货时间。与传统制造方式相比,3D 打印技术最大的好处之一就是速度快,当一个外购部件需要一周甚至多周才能到货时,使用 3D 打印技术会使速度大幅提升。 

SLS 3D printed part cost

制造

来自 REEKON Tools

服务中心512.45美元
传统 SLS57.92美元
Fuse 1$31.38
3d printing cost
交互

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缩短产品开发周期

选择性激光烧结使工程师能够在设计周期的早期对部件进行原型设计,然后使用相同的机器和材料来生产成品部件。SLS 3D 打印技术不需要像传统制造那样使用昂贵和耗时的工具,因此可以在几天内测试和轻松修改部件和组件的原型,极大地缩短了产品的开发时间。

SLS 3D is ideal for creating durable, functional prototypes that are ready to undergo rigorous functional testing or to ship to customers as replacement parts or products that are ready to use.

SLS 3D 是创建耐用的功能性原型的理想选择,这些原型可应对严格的功能测试,也能作为替换部件或成品部件交付客户。

鉴于其单部件成本低以及材料耐用,在生产复杂的定制部件或一系列终端产品的小型组件时,SLS 打印技术是一种经济实惠的方式。在许多情况下,激光烧结颇具成本效益,可以替代注塑成型进行有限生产或过渡式生产。

SLS 3D 打印技术的应用

SLS 3D 打印技术加速了创新,并为工程、制造和医疗等多个行业的企业提供支持。 

SLS 3D printed engineering part

工程

从迭代第一版概念设计到制造成品产品,控制您的整个产品开发流程。

  • 快速原型制造

  • 用于现场客户反馈的产品模型

  • 功能原型制造

  • 对产品进行严格的功能测试(如:管道系统、托槽)。

SLS 3D printed manufacturing part

制造

拥有自己的供应链,并对不断变化的需求做出快速反应:

  • 成品生产

  • 小批次制造

  • 生产新型大规模定制消费品

  • 替换件生产,保持供应链稳健

  • 持久、耐用的夹具、固定装置(如夹子和夹钳)和工具

  • 定制汽车或摩托车部件、船舶设备、军事“按需补给”

SLS 3D printed healthcare part

医疗保健

内部生产患者特定的成品医疗设备:

  • 医疗设备原型制造

  • 假体和矫形器(即换肢 + 肢体支架)

  • 手术模型 + 工具

  • 成品部件(Nylon 12 Powder 具有生物相容性 + 灭菌相容性*)

* 材料属性因部件的不同设计和制造规范而异。制造商应负责验证打印部件适合预期用途。

sls applications
网络研讨会

如何识别SLS印刷的正确应用

在这次网络研讨会上,您可以了解到价格低廉的工业质量SLS 3D打印机如何使增材制造成为终端生产和大规模定制的可行选择。

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了解 Fuse 1 SLS 3D 打印机

到目前为止,工业级 SLS 3D 打印机的成本对大多数企业来说都是非常昂贵的,单台机器的价格超过 10 万美元。

Fuse 1 SLS 3D printer

随着 Fuse 1 的诞生,Formlabs 将选择性激光烧结 (SLS) 的工业级打印质量应用于台式设备上,以最低的单个部件成本提供高性能材料,并具有紧凑的外形尺寸和简单的工作流程。

Fuse 1,开启独立制造和原型制造的新浪潮。