SLS从工艺原理到采购指南



 SLS(激光选区烧结技术)起于UT Austin,发展于3D Systems,在中国普及于华曙高科,是当前原型、工艺品打印的主力军。靖哥有幸请到了SLS技术领域的专家袁上钦博士mm,为我们共同分析SLS技术的原理与应用。

作者简介

袁上钦——新加坡南洋理工材料和机械工程,本科及博士,小型教育和技术咨询公司创业者,户外玩咖,美食达人。

博士课题致力于激光烧结材料粉末研发和工艺优化,以及相关纳米碳纤维复合材料的工程应用。相比于发论文,最有兴趣的还是在于科研成果的产业化和商业模式推广。同时个人热爱户外活动和背包自驾旅行,喜欢读各类书籍,喜爱吃美食做美食。

科研于我,从来不曾是苟且,反而是享受精神和工作自由的一方天地。

旅行于我,只有真正经历过苟且,才能体会诗与远方真正的意义。

要么旅行,要么读书,身体和灵魂,必须有一个在路上。

生活于我,科研,美食,美景和美人均不可辜负!!!

SLS(选择性激光烧结)的综述

基本工艺介绍

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)是最传统、也是应用规模最大的3D打印&增材制造工艺之一。主要选择二氧化碳激光作为基本的热源,用反射镜面系统控制激光扫描参数。运用不同的铺粉技术将粉末均匀铺于粉床,进而将高分子粉末进行预热和激光烧结。目前基本原材料是高分子粉末或者高分子复合材料,其添加材料可以是石墨,碳纤维,陶瓷,金属和玻璃等颗粒。激光烧结作为传统而又广泛使用的一种工艺,在原材料成本,成型成本以及后处理方面有很大优势。在快速成型的早期应用中,SLS主要用于模具的制造,以及低成本的烧结耐高温金属(其中高分子颗粒作为粘合剂将耐高温金属粘合形成复杂结构,之后可将高分子部分灼烧去掉,辅助以金属烧结工艺)。增材制造技术经过30年的发展,材料和工艺的研发已经得到了大幅度的发展,已经实现了烧结复合材料,例如陶瓷和碳纤维等复合材料的研发和生产大大拓宽了激光烧结在实际生产应用的前景。设备示意图如图1所示:

图1 激光结烧设备示意图

(工艺视频:https://www.youtube.com/watch?v=QXX9Ejzx9E4)

对于激光工艺的控制,图2列出了主要打印参数和相关参数的影响,这些参数从而决定了激光能量的摄入;系统的控制和模拟能量摄入对于每一种新材料的工艺研发和机器能耗控制都有重要意义。SLS可选用的激光,主要是10.6um的二氧化碳激光。由于二氧化碳激光器成本较高,目前也有小型SLS机器选用880nm的红外激光作为热源,并加入碳黑材料增强热吸收。惠普推出的新型3D打印机器,也是基于SLS的粉末平台,有效的通过喷墨模式控制,选择性喷出anti-photonagents and photon absorbers, 从而完成选择性融化过程。

高分子及高分子复合材料

高分子作为激光烧结的主要原材料,其基本热性能和机械性能均对成型工艺有很大影响。高分子主要分为:热塑性和热固性塑料两类。热塑性塑料则为激光烧结工艺主要应用材料,而Semi-crystalline (半晶)thermoplastic (热塑)高分子是激光结烧的首选材料。图3展现了不同的热塑性高分子材料的机械性能相对于温度的变化(全晶,半晶和非晶三个类型的热塑材料,相对于各自的转化温度,展现出因“晶相”变化而引起的体积和机械性能改变)。

工程热塑塑料中全晶高分子类别很少,而且结晶过程的巨大晶相变化引起的应变不利于成型产品的尺寸准确度控制;而非晶材料并无临界熔点,在预热温度调控方面是一大难题。因此目前市场商业化的粉末主要以半晶体热塑高分子为主。

Glass transition T (玻璃转化温度,Tg),Melting T(熔化温度,Tm)和recrystallization T (重结晶温度, Tr) 是半晶体热塑性高分子进行热加工时需要考虑的重要参数。半晶体塑料在玻璃转化温度时,会发生软化现象,而到达融化温度时,才会充分熔化变为液体状态。通常状况下,激光烧结预热温度一般高于Tr 小于Tm, 以最大程度上减小高分子热缩引起的翘曲。因此,Tm 和Tr 的温度差一般在行业内称为Glass window (预热温度窗口)。

目前可以用于激光烧结的半晶体热塑性高分子主要有:Polypropylene(PP) [2],polystyrene (PS), polyethylene (PE),Nylon 12 (PA12),Nylon (PA11),Polycarbonate(PC), Polyether ether ketone (PEEK) ,以及他们的复合材料粉末。以上材料均为传统工程高分子材料,各自有其机械性能好,抗腐蚀,低成本和耐高温等不同特点。

Polylacticacid (PLA) 和 Polycaprolactone (PCL)是两种热塑性生物兼容性塑料,过去十年左右,生物工程用激光烧结制作生物支架,首选PLA和PCL。同时将高分子粉末混合生物陶瓷以提高生物支架的活性,而市场实用性和利用率有待验证。

2013年,thermoplastic polyurethane (TPU) 也进入了SLS 市场,作为柔性热塑性高分子材料,也得到了不少可穿戴产品生产商的青睐。而聚酯类TPU主要为非晶热塑性材料,因而激光烧结工艺的预热温度控制是其一大难点[3]。

复合粉末主要有聚合物混合(polymer blends)和纤维强化聚合物(fiber reinforced polymer composite). 聚合物混合粉末需要选择融化温度接近的高分子材料才能满足激光结烧的预热和温度控制要求;而纤维增强型的聚合物测有很多选择性,根据纤维的特性可以增强相应的性能。例如,玻璃纤维,微米碳纤维,陶瓷和黏土主要增材高分子的机械性能[4];纳米碳纤维和炭黑主要增强导电性能[5];阻燃材料纤维主要增强高分子的阻燃性能等。具体不同材料公司和设备公司在此就不赘述,有兴趣者可私下咨询,国内信息可以咨询西交赵峰博士。

粉末材料评估系统

从材料工程师的角度上来评估激光烧结材料的实用性和调整工艺参数,主要从以下两个方面入手:

第一,高分子和其复合材料的基本性能

在此主要总结为:化学性能,热性能和流变性。化学性能主要是分子链长度,聚合物分散指数和高温降解程度,这些参数将决定该高分子粉末的可回收利用度;热学性能主要决定工艺参数和预热窗口;流变性主要是表面张力和高分子材料熔融状态下粘度,这两个参数主要影响高温和快速扫描后的材料融合状态。

第二,粉末的基本特征

如图4所示,粉末形态的材料呈现的流动性和光学特性会主要影响到激光结烧工艺。流动性直接影响到铺粉的层厚和铺粉的效率,以及粉末流动性要满足最基本的铺粉要求。而光学性能主要是,粉末状态下对激光的吸收效率直接影响到热能的损耗。

商业化材料及应用

医疗方面:PEEK和其复合材料制作的人体骨骼植入体;PLA和PCL掺杂纳米陶瓷制作的生物支架。

汽车宇航:主要为碳纤维和PEEK/PA11/PP的复合材料,用于汽车底盘,导气管,和飞机轻便结构用于取代目前铝合金的一些部件[11]。

服装及室内装修设计:作为成本可控和比较成熟的技术,用于服装,室内装修和一些商业会展的展品展示。

可穿戴设备配套:个性化柔性鞋垫和机械阻尼部件[9][10];轻质抗冲击穿戴部件;模型和个性化设计定制小型无人机和机器人等外包装部件;乐器例如小提琴[8]。

技术局限性和潜在市场竞争

高温材料生产工艺:主要是PEEK,PEAK 和PEKK这一系列的高温塑料的粉末制备,以及可以加工该高温材料的激光烧结设备配套,预热温度需要加热到350摄氏度以上,目前市场上已有的稳定装备EOSP800 可加热至385摄氏度[7]。大面积稳定控温是设备的一大挑战,如何有效稳定控制粉床温度也是设备的一大挑战,而相对的能耗增加也将导致成本升高。

粉末配方和成本控制:目前粉末都是已有的热压或者注塑塑料原材料,而其复合材料的粉末也主要由传统的制粉工艺制备。例如溶液工艺(乳化),纯机械加工(低温研磨)等。而相关材料配方主要还是商业化的配方为主,目前不少聚合物相关业务的公司也在试图开拓专业用于激光烧结的高分子低成本粉末,拓展产品性能和应用。

高分子导电导热阻燃性能:目前导电导热和阻燃是限制普通工程聚合物应用的几个指标,由于3D打印的高附加值市场主要在于宇航军工或者定制部件,而且对这几块性能都有很高的要求,并且要同时满足综合指标。因此不少研发都在克服高分子电热性能和阻燃性能限制。复合材料研发就是一部分,其次就是新型高分子材料的合成,还有一些后处理的工艺用来进一步提高这些性能。

部件打印尺寸受限:由于粉床控温的限制,大型SLS设备主要用于低熔点热塑塑料(例如PS)的产品打印,对于高熔点的热塑料打印还很有局限性。所以,需要一次性完成制造大尺度工程部件还有相当难度。目前可折叠打印设计和后期组合等简单易行的方法用来解决由于打印尺寸受限而带来的一些问题。

物理模型建立用于3D模型性能预测和新材料参数优化:由于材料研发成本高,优质设备采购成本高和部件打印的各项异性,有效的用理论模型预测和优化打印参数,和预测打印部件性能变得更加有意义。

(有问题可以通过邮箱联系作者:yuan0041@gmail.com)

参考文献

[1] R. D. Goodridge, C.J. Tuck, R. J. M. Hague. Laser sintering of polyamides and other polymers. Prog Mater Sci. 57 (2) (2012) 229-267.

[2] W. Zhu, C. Yan, Y. Shi, S. Wen, J. Liu, Y. Shi.Investigation into mechanical and microstructural properties of polypropylenemanufactured by selective laser sintering in comparison with injection moldingcounterparts. Mater Des. 82 (2015) 37-45.

[3] S. Yuan, F. Shen, J. Bai, C. K. Chua, J. Wei, K. Zhou. 3Dsoft auxetic lattice structures fabricated by selective laser sintering: TPUpowder evaluation and process optimization. MaterDes. 120 (2017) 317-327.

[4] W. Zhu, C. Yan, Y. Shi, S. Wen, J. Liu, Q. Wei, Y. Shi. Anovel method based on selective laser sintering for preparing high-performancecarbon fibres/polyamide12/epoxy ternary composites. Sci Rep. 6 (2016) 33780.

[5] S. Yuan, J. Bai, C. K. Chua, J. Wei, K. Zhou. MaterialEvaluation and Process Optimization of CNT-Coated Polymer Powders for SelectiveLaser Sintering. Polymers. 8 (10)(2016) 370.

[6] omnexus.specialchem.com/news/industry-news/evonik-to-participate-and-introduce-pa-12-for-3d-printing-in-hp-open-platform-program-000182750

[7] www.eos.info/news_events/newsletter/edition_02_2010

[8] www.youtube.com/watch

[9] www.youtube.com/watch

[10]www.youtube.com/watch

[11]www.youtube.com/watch

 

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