选择性激光烧结（SLS）：前沿技术、先进材料与拓展应用

[图片来源：3D Hubs]

选择性激光烧结（SLS）是工业应用中最流行的聚合物3D打印技术之一。自30多年前问世以来，SLS逐渐成熟为一种既能用于功能性原型制作、近期也可用于生产的技术。

推动这一演进的动力是硬件和材料领域的持续创新，以及技术采用者开发新SLS应用的意愿。

在本文中，我们将回顾SLS的最新发展，了解该技术的当前能力与未来机遇。

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SLS简史

激光烧结利用高功率激光逐层熔融粉末材料。SLS打印的一大优势是设计无需任何支撑结构。打印过程中，所有中空空间自动填充未使用的粉末，使SLS打印件自支撑。

虽然SLS打印概念最早构想于1980年代初，但直到1992年首台工业级SLS打印机商业化——DTM的Sinterstation 2000（后并入3D Systems）。随后是1994年EOS的EOSINT P350。

此后，各类机器陆续进入市场，标志着工业背景下更快、更大规模打印时代的开始。

SLS硬件的显著发展

EOS SLS技术的演进

德国聚合物和金属3D打印公司EOS或许是市场上最大的SLS专家。2016年，公司声称全球安装约3000台设备，其中51%为SLS系统。

在其30年历史中，EOS将SLS推向成熟技术水平，适用于原型制作和生产的各种应用。

这一历程的里程碑之一是2006年推出FORMIGA P 100。该系统确立了塑料领域工业3D打印质量标准，多年后仍具影响力。

2012年，EOS推出FORMIGA P 110作为FORMIGA 100的继任者，在3D Hubs 2018年打印机指南调查中被评为最佳激光烧结机器。

总构建尺寸200×250×330 mm的P 110实现更具成本效益的小批量打印，用于中型原型构建和高复杂度几何形状零件。

2018年，P 110升级为FORMIGA 110 Velocis。其改进加热系统和铺粉工艺，并利用软件控制以更高速率用30瓦激光束预热聚合物材料。

凭借额外技术改进和优化，Velocis实现生产力提升高达20%，构建区温度分布更佳，从而获得更均匀的部件质量。

高温SLS

虽然SLS最常用材料仍为尼龙，但EOS也致力于实现更先进材料的加工，如PEEK，这类材料通常需要高温打印。

这催生了首个高温SLS平台——EOSINT P 800，2008年发布。其可加工高达约385°C的聚合物，将SLS技术拓展至新型热塑性塑料，即PEEK。

10年后，EOS在其高温3D打印机系列中增加EOS P 810。新系统号称全球首台针对碳纤维增强PEKK材料优化的高温激光烧结系统。

持续创新：FDR与LaserProFusion技术

EOS在SLS技术领域的改进和创新持续进行。例如，在今年Formnext上，EOS展示其精细细节分辨率（FDR）聚合物基3D打印技术。新工艺使用CO激光3D打印精细而坚固的聚合物组件，具备精细表面分辨率和0.22 mm最小壁厚。

EOS声称是首家为粉末基工业3D打印开发CO激光解决方案的制造商。大多数现有SLS机器使用一或多个CO₂激光器。

CO激光类型产生超精细激光束，聚焦直径据报为当前SLS技术的一半。这一额外精度的重要后果是新的曝光参数，可生产极精细表面的部件。

新技术可用于3D打印滤芯单元、流体通道、插头及其他电子元件，以及眼镜等消费品。

而另一项尚未商业化的解决方案——LaserProFusion技术——旨在实现最大生产力。EOS将为LaserProFusion系统配备多达100万个二极管激光器，累积激光功率超过5千瓦。该技术主要面向系列生产需求，EOS称其可在许多应用中作为注塑成型的替代方案。

自首台SLS 3D打印机推出26年来，EOS一直是SLS技术显著进步的关键推动力之一。公司持续追求将SLS作为系列生产解决方案的愿景，这一愿景终将成为现实。

Farsoon的Flight技术

另一家致力于革新SLS技术的公司是Farsoon。为使SLS更快、更精准，Farsoon在其新Flight技术中利用光纤激光器的力量。

当前SLS机器使用CO₂激光器，这家中国3D打印机制造商将标准CO₂激光器替换为光纤激光器。

光纤激光系统能向粉末床输送更多功率并改善材料能量分布。因为光纤激光束实现更小的激光光斑尺寸。这转化为更高功率密度，使粉末在更短时间内烧结。

除了光纤激光器，Farsoon还开发新扫描系统，实现超过20 m/s的扫描速度。这约为可比技术的4倍。此外，激光器的额外功率使0.3 mm大小的特征细节成为可能。

Flight技术旨在推动SLS 3D打印向大批量生产采用，无疑是朝此方向迈出的重要一步。

双粉末SLS 3D打印

而EOS等成熟SLS厂商多专注于线性创新，比利时初创公司Aerosint采取激进方法，开发可用两种不同粉末打印的SLS系统。这将允许机器用其中一种粉末作为廉价支撑材料。

通常，SLS机器中未熔融的支撑粉末与打印部件材料相同，且往往昂贵。如果粉末能100%复用本无问题，但目前不可能。

原因之一是SLS过程中聚合物长时间暴露于高温，发生化学变化，导致烧结特性难以预测。目前唯一解决办法是将"已用但未熔融"粉末与约50%原生粉末混合以便复用。

据一服务商估算，其每月采购500 kg粉末中，"25%成品，25%废料，50%用于刷新下一次构建"。

引入可用廉价支撑材料和第二种材料打印部件的机器，可为使用SLS工艺者节省大量资金。

Aerosint的技术——选择性粉末沉积——通过从经过构建区的旋转鼓选择性沉积粉末材料实现这一目标。一个鼓沉积一种材料，因此至少使用两个鼓实现多粉末沉积。

Aerosint技术本质上是逐行进行，可达200 mm/s打印速度，与当今SLS铺粉器移动速度相当。

该技术成熟将为制造商解锁海量机遇，包括减少粉末浪费、材料成本节省和减少后处理时间。

紧凑型SLS 3D打印机

2014年，SLS市场迎来新一批公司，利用原始SLS专利到期的契机，致力于让技术更普及。

这一转变催生台式SLS 3D打印机——虽不足以称为"桌面级"，但足够紧凑放置于工作台。台式3D打印机的出现向专业消费者和小企业开放技术，它们可能没有资金或空间购置工业级SLS系统。

Sinterit、Sharebot、Sintratec和最近的Formlabs等初创公司进入紧凑型SLS 3D打印竞赛。

Sharebot首家将台式SLS机器推向市场，SnowWhite于2016年开始发货给客户。不同于Sintratec和Sinterit的二极管激光器系统，SnowWhite配备更强大的CO2激光器，常装于高端专业机器。

该激光器和微小的100×100×100 mm构建体积，仅需300 g粉末即可打印，使SnowWhite系统特别适合材料开发应用。

该领域另一大玩家是波兰公司Sinterit，其Sinterit Lisa系统仍是这一增长细分市场的领跑者。起售价€6,990，Sinterit Lisa拥有150×200×150 mm构建体积和0.075微米最小层分辨率，适合希望以较低资本投入体验SLS技术的小企业。

去年，公司还推出Sinterit Lisa Pro，最新台式SLS 3D打印机。

该细分市场潜在重大创新可能是Fuse 1，由桌面级立体光刻领军者Formlabs于2017年宣布。构建体积165×165×320 mm，配备光纤激光器，定价约$10,000，计划2020年中期商业发布。

2010年代初廉价桌面级FDM和SLA/DLP 3D打印机的涌入颠覆行业，同时显著推动增材制造行业增长。普及型SLS才刚开始这段旅程，可能遵循类似路径。这最终将把SLS触达更广泛的行业和用户。

SLS材料的演进

首批SLS 3D打印机最常用尼龙，一种广受欢迎的工程热塑性塑料，因其轻量、强度和耐用性著称。尼龙，即聚酰胺（PA），抗冲击、耐化学、耐热、抗紫外线、防水防尘，使其成为快速原型和生产的理想选择。

如今，尼龙仍是最流行的SLS材料。然而，技术进步和3D打印材料发展催生尼龙基复合材料——掺入碳纤维、玻璃纤维和铝以进一步增强聚酰胺的力学和热学性能。

除尼龙外，如今的SLS 3D打印机还可加工PEEK、PEKK、柔性TPU、阻燃聚合物和抗静电聚合物。加工高性能材料的可能性与技术创新紧密相连。如EOS案例，公司首先需要制造高温3D打印机，才能打印PEEK等材料。

新型SLS材料

SLS新材料开发步伐同样令人鼓舞。

意大利3D打印公司CRP Technology或许是SLS材料关键独立开发商之一，以其Windform品牌闻名。公司提供一系列尼龙基复合材料和橡胶状塑料粉末。

Windform系列最新成员为Windform FR1和Windform FR2——阻燃复合材料，适用于飞机应用（如内饰件、驾驶舱组件、风管和出风阀）；运输部件（车辆内饰、外壳和封装组件）以及消费品和电子产品（照明和电器）。

化学公司DSM最近也进军SLS材料开发。去年推出聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）粉末。有趣的是，DSM指明该材料实为首款商业化供SLS 3D打印的PBT粉末。PBT是热塑性工程聚合物，因绝缘性用于电子行业。

此外，化学巨头BASF旗下子公司Forward AM在Ultrasint品牌下提供一系列SLS材料。阻燃Ultrasint Polyamide PA6 Black FR材料为该系列最新成员，具备高刚度和良好热稳定性。据Forward AM称，其已用于生产满足车辆防火要求的新车辆部件。

BASF和DSM最近均从法国制造商Prodways采购SLS 3D打印机。随着SLS产能增加，两大化学公司将加速SLS 3D打印先进材料开发。

SLS后处理

虽然SLS技术消除支撑结构设计和移除需求，但并非没有后处理挑战。最大挑战是需移除部件表面残留粉末，有时粉末滞留部件内部。

目前通过人工清洗清理、喷砂和滚筒抛光等传统技术应对。但这些方法需大量人工干预，增加损坏脆弱几何形状风险，且成品一致性不足。

表面精加工方面，SLS零件常通过打磨和使用通常非为3D打印设计的半自动化设备平滑。这些方法难以充分发挥SLS打印机能力并扩大生产规模。

所幸，多家行业参与者正开发SLS零件后处理自动化解决方案。

例如PostProcess Technologies提供基于其热雾化齐射（TAF）技术的解决方案，两个垂直单轴射流（压缩空气、清洁剂和悬浮固体组成）提供靶向喷射序列，配合360°零件旋转实现最大表面暴露。

英国公司AMT将于今年晚些时候推出自动化除粉解决方案。

最终，从人工除粉转向自动化将显著优化SLS 3D打印工作流，不仅减少人工时间，还使公司能更高效地扩大SLS生产规模。

SLS应用：生产用途日益增长

虽然SLS技术持续用于原型制作，但也日益普及于功能性零件测试和生产应用。

航空航天

航空航天业例如利用SLS制造飞机内饰件。阿联酋航空是阿联酋最大航空公司。该航空公司使用3D打印生产飞机客舱组件，包括视频监控罩和空调出风口格栅。后者已获认证并安装在阿联酋航空飞机上进行机上试验。

阿联酋航空与3D Systems合作生产视频监控罩，使用SLS技术和3D Systems的DuraForm ProX FR1200尼龙材料，满足航空航天业对客舱内饰件的阻燃门槛。

消费品

消费品领域，香奈儿开创性使用SLS 3D打印睫毛膏刷。品牌现与法国3D打印服务商Erpro Group合作，3D打印数百万支睫毛膏刷。

利用SLS技术，刷头设计得到优化——例如SLS技术实现的粗糙颗粒纹理，改善睫毛膏对睫毛的附着力。

除美容产品外，SLS在医疗和鞋类领域越来越多用于生产定制鞋垫和凉鞋。

赛车运动

赛车运动中，技术帮助车队比传统技术更快创新和测试车辆设计。

阿尔法·罗密欧的Sauber一级方程式（F1）车队是赛车公司利用SLS 3D打印的典范。

SLS主要用于阿尔法·罗密欧F1赛车风洞气动开发，以及各类层压模具、芯模和复杂序列零件。

生产中使用Sauber Engineering开发的粉基材料，用于需要特别轻量刚性组件的场合，从F1刹车通风和量产前车辆车身部件，到各类即用型建筑元件。

SLS应用前景无限。鉴于SLS材料和技术的最新发展，这一说法尤为真实。

SLS：聚合物3D打印的最佳选择之一

SLS 3D打印市场处于持续演进状态。紧凑型经济型台式系统的推出让技术普及化。同时，工业SLS设备制造商更聚焦于确立SLS作为生产工具的解决方案。

结果是，采用SLS技术的项目量稳步增加。

证据是据Sculpteo报告，2019年超过75%的3D打印项目使用SLS方法。结论是SLS被视为聚合物3D打印的最佳选择之一。我们相信这在近期和远期将继续成立。