选择性激光烧结(SLS)：将3D CAD设计转化为实体零件的工艺全解析

增材制造中的SLS（选择性激光烧结）可在数小时内将3D CAD设计转化为物理零件。

何为SLS？SLS代表选择性激光烧结，一种3D打印/增材制造(AM)技术。SLS采用烧结工艺：粉末材料加热至近熔点，颗粒结合成固体。

SLS材料广泛——最常用尼龙，有时也用塑料和金属。

凭借制造以往“不可能”零件的能力及材料高回收率，SLS自90年代初商业化以来广泛用于工业领域。

SLS由Carl Deckard和Joe Beaman于80年代在DARPA（美国国防部高级研究计划局）资助下开发。

虽非新技术，SLS仍主要用于工业应用。精密激光实现高精度制造，甚至复杂零件。因此SLS广泛用于快速原型和小批量定制件生产。

但强激光和粉末材料使其不适合小规模/家用，尤其是SLS打印机远比熔融沉积成型(FDM)打印机昂贵。

近年粉末床熔融技术进步重燃SLS关注度，但普及度仍落后于FDM和光固化成型(SLA)。

SLS模型预处理

每种AM技术都有局限，SLS也不例外。SLS不适合打印锐边或薄壁，含这些特征的设计需预处理修改。例如：

• 薄壁零件可用含薄壁分析功能的设计产品模拟打印过程，判断设计能否成功打印。若不能，提前修改。
• 锐边可用CAD软件倒圆功能预处理圆角，确保打印成功。

额外注意点：

• 过度复杂几何可用几何简化工具预处理确保可打印性
• 为减重，许多SLS零件中空打印，设计师可用自动工具“挖空”设计并添加排粉孔
• 若用全功能设计软件，应用仿真建模技术预测打印过程及实用表现

最后，打印前3D模型必须“切片”为2D层（横截面），指导SLS激光扫描每层粉末。虽有免费切片软件，但可靠性存疑，专业设计师建议用认可软件包预处理。

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增材制造中SLS工艺流程

SLS流程似其他粉末床熔融技术：

1. 设计师用CAD程序创建3D模型
2. 设计分割为薄(2D)层
3. 分层设计发送至SLS打印机
4. 铺粉辊在构建平台铺薄层粉末
5. CO₂激光描绘横截面，加热熔融粉末
6. 层完成，构建平台下降为下层腾空间
7. 每层完成后回收未用材料
8. 重复分层构建直至成品

打印过程中，SLS零件被未烧结粉末包裹。多余粉末支撑零件，免去支撑结构。

SLS后处理

后处理首步是零件回收。新打印SLS件包裹在多孔半烧结粉末茧中，需破茧取件。虽在家庭环境脏乱，但SLS主用于工业，配专用清洗室（密闭舱+压缩空气进口）。

清洗后，检测测试确保符合原始规格。因SLS件易收缩变形，此过程确保每件合格。

最后，多数SLS件染色/涂层为实用做准备。范围从纯装饰到高功能：

• 耐刮擦
• 反射/非反射
• 偏光
• 耐用

SLS材料回收

回收剩余材料是SLS制造关键环节。

因粉末支撑零件，用粉远超实需。但构建室内所有粉末预热辅助烧结，“用过”粉末效果不如新粉。专家建议SLS打印项目最大使用50%再生粉。

SLS系统类型

根本上分两类：工业级和桌面级。

工业级SLS系统

存在数十年，服务航天、汽车、工装等头部企业。使用单/多高功率CO₂激光。

因体积和热需求，需惰性环境防粉末氧化，要求专用空气管理设备和工业电源。

桌面级SLS系统

工艺相似但封装为适配中小企业/爱好者环境的机器。用低功率二极管/光纤激光代替CO₂激光，部分降低成本。

体积小，烧结需热少，免专用空气管理，可用标准交流电。

SLS材料

SLS通常指塑料烧结，也可泛指含塑料、金属、玻璃、陶瓷、复合材料的烧结。工艺相似，烧结温度随材料变化。

用于金属时，常称直接金属激光烧结(DMLS)。工艺同前文，但需显著更高热量。

SLS优劣势

优势：

• 自支撑：空腔填充未烧结粉末，无需额外支撑结构
• 设计自由：无支撑结构约束，设计师可专注目标而非制造可行性，实现传统减材“不可能”的零件
• 速度：尼龙粉末仅需极短激光照射即烧结，SLS是最快3D打印技术之一。与FDM等不同，SLS速度与质量几乎无权衡
• 易染色：天然多孔吸湿吸液，热浴法染色效果极佳

劣势：

• 多孔脆性：多孔性损害结构完整性。虽抗拉强度优，但无韧性，低变形下即可失效。常用作概念验证原型。表面粗糙度较高
• 易收缩变形：尼龙粉末高温烧结后急冷收缩，导致尺寸不准——锐边角最明显
• 废料：粉末虽可复用，但建议最大50%再生粉，故必有浪费
• 成本：桌面级SLS也要$5,000-$40,000，远超其他AM技术同级打印机。工业级价格指数级上升

何时使用SLS

最主流用途是快速原型，其速度和自支撑特性完美契合。设计师可不受结构支撑约束、毋需注塑等传统工艺，创建测试广泛原型。

哪些行业依赖SLS？

得益于优势，SLS深度服务于航天、汽车、医疗。

航天汽车主用金属/复合粉末追求高耐久；医疗偏热塑性聚氨酯(TPU)——柔韧耐用、耐油耐化学的高性能塑料。

SLS典型用于非价格敏感场景（至少设备采购层面）。系统昂贵是其主用于工业的主因。

但除资本支出外，生产大量小批量零件（如原型）的制造商用SLS反而省钱——免去高昂工装费。

常见用例：

• 定制工装夹具
• 燃油箱
• 风道
• 建筑模型
• 无人机飞行级部件
• 汽车设计
• 艺术雕塑

SLS未来展望

目前SLS主要限工业用——主因设备高昂，次因强激光和粉末材料。爱好者/家庭创客仍以FDM、SLA更划算。但工业环境下，SLS系统极具价值。

同所有AM技术，SLS依赖制造商产出高精度优化3D模型。鉴于SLS局限（尤不能打印薄壁/锐边），特定软件功能对创建优化模型至关重要。

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