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2018-03-19 【3D列印快訊】SLS 3D列印技術介紹

【3D列印快訊】SLS 3D列印技術介紹

在本次的SLS 3D列印介紹中，我們將帶領各位了解關於雷射粉末燒結技術的基本原理。閱讀本文後，您將了解SLS過程的基本機制，以及這些過程的優點和其限制。在此之前，先來看一看它是如何運作的：（延伸閱讀：新手入門：常見3D列印技術比較及原理）

目錄

什麼是SLS？

選擇性雷射燒結（SLS）是屬於粉末床熔化家族的增材製作工法。在SLS中，雷射光選擇性地燒結聚合物粉末的顆
粒，將它們熔合在一起並逐層建造零件。SLS中使用的材料是顆粒狀熱塑性聚合物。
SLS用於功能性聚合物零件的原型製造和少量生產，因為它提供非常高的設計自由度、高精準度，並生產具有良好
一致機械性能的部件，不同於FDM或SLA技術。只有當設計師考慮到其主要優點和限制時，才能充分利用此技術
的功能。

SLS列印過程

SLS如何運作?

以下是SLS製造過程的工作原理：
I.首先將粉末箱和列印區域加熱到剛好低於聚合物的熔化溫度，並且使用刀片重新塗散薄層粉末在列印平台上。
II.然後CO2雷射光會接著掃描下一層的輪廓並選擇性地燒結（熔合在一起）聚合物粉末的顆粒。掃描組件的整個橫
截面，將此塊變固化。
III.當此層完成時，列印平台會向下移動，刀片會重新覆蓋表面。然後會不斷重複此過程，直到整個部分完成。

當列印完成後，零件會完全封裝在未燒結的粉末中，粉末箱必須冷卻下來後才能將它打開。這會需要相當長的時間
（長達12小時）。之後再用壓縮的空氣或其他爆破介質來清潔零件，並準備使用或進一步後處理。剩餘的未燒結
粉末可以收集起來，重複使用（SLA粉末只有50％可回收利用）。

SLS列印機的原理圖

SLS的特色

列印機參數

在SLS中，幾乎所有的工業參數都是由機器製造商所預設。使用的預設層厚為100-120 microns。SLS的一個關鍵優
勢在於它不需要支撐結構。未燒結的粉末會為零件提供所有必要的支撐。
基於此原因，SLS可創造出其他製成方式都無法達成的自由幾何形狀。
使用SLS列印時，整個列印量非常重要，特別是小量生產。
一個給定高度的箱子列印的時間大致相同，與包含的零件數量無關。
因為重塗步驟決定總處理時間（雷射光掃描會非常快速地發生），而且機器必須循環通過相同數量的每一層。
裝箱可能會影響小訂單的交貨時間，因為操作人員通常會在等到裝滿箱子才會開始列印。

層間附著力

在SLS中，層間的結合強度非常好。
這表示SLS列印零件幾乎具有各向同性的機械性能。使用標準聚酰胺粉末（PA 12或尼龍12）
（SLS中最常用的材料）列印的SLS樣品的機械性能顯示在下表中，並與本體尼龍的性能進行比較。

	X-Y方向	Z方向	散裝PA12
拉伸強度	48 MPa	42 MPa	35 - 55 MPa
拉伸模量	1650 MPa	1650 MPa	1270 - 2600 MPa
斷裂伸長率	18%	4%	120 - 300%

SLS零件具有優異的拉伸強度和模量，與散裝材料相當，但更脆（它們的斷裂伸長率比較高）。
由於是最後零件的內部孔隙。

典型的SLS列印零件約為30％的多孔性。

多孔性讓SLS零件具有顆粒狀表面。這也表示SLS零件可以吸收水分，因此它們可以在熱水中輕鬆染上各種顏色，
但若要在潮濕的環境中使用，就需要特殊的後處理。

多種顏色的染色SLS零件。它們的多孔性讓它成為熱水染色的理想選擇

收縮和翹曲

SLS零件容易收縮和翹曲：隨著新燒結層冷卻後，其尺寸會變小且聚集內部壓力，將底層向上拉
SLS的典型收縮率為3％至3.5％，機器操作人員會在生產準備階段將此考慮在內，並調整相應的設計尺寸。

大平面最容易彎曲。這個問題可以通過在列印平台中垂直定向零件來解決，但最佳做法是創造最小厚度的平坦區域
並設計引入切口來減小體積。這種方式由於使用的材料較少，也同時減少了零件的總成本。

過度燒結

熱輻射會將特徵周圍的未燒結粉末，在熔化時發生過度燒結。可能會導致小細節（如插槽和孔洞）的遺失。
過度燒結取決於特徵的尺寸和壁厚。例如，0.5mm寬的插槽或1mm直徑的孔能成功列印在2mm厚的薄壁上，但是當
壁厚為4mm或更大時，這些特徵就會消失。
以經驗而言，可以在SLS中列印寬度超過0.8mm的插槽和直徑大於2mm的孔，而不用擔心燒結過度。

去除粉末

由於SLS不需要支撐材料，因此可以輕鬆而精準地列印具有空心截面的零件。
由於使用的材料較少，空心的部分可以減少零件的重量和成本。
需要氣孔來清除零件內部的未燒結粉末。建議在設計中增加至少2個直徑不小於5mm的氣孔。
若需要高剛性，則零件必須完全列印固化。另一種方法是製作一個孔洞的設計來省略氣孔。
這種方式是將緊密包埋的粉末放入零件中，增加其質量並為機械負載提供一些額外的支撐，而不會影響列印時間。
可以將內部蜂窩格子結構加到空心的內部（類似於FDM中使用的填充圖形）以進一步增加零件的剛度。透過這種方式
挖空一部分也可以減少翹曲。

去除SLS零件上的粉末

常見的SLS材料
使用最廣泛的SLS材料是聚酰胺12（PA 12），也稱為尼龍12。每公斤PA 12粉末的價格大約為50-60美元。
其他工程熱塑性塑料，如PA11和PEEK也可使用，但較沒有廣泛的使用。
聚酰胺粉末可以填充各種添加劑（如碳纖維，玻璃纖維或鋁），以改善生產SLS零件的機械和熱性能。填充添加劑的
材料通常會更脆，並可能具有高度的各向異性行為。

材料	特性
聚酰胺12（PA 12）	+良好的機械性能 +良好的耐化學性 -啞光、粗糙的表面
聚酰胺11（PA 11）	+完全各向同性的行為 +高彈性
鋁填充尼龍（Alumide）	+金屬外觀 +高剛度
玻璃纖維填充尼龍（PA-GF）	+高剛度 +高耐磨和耐高溫 -各向異性行為
碳纖維填充尼龍（PA-FR）	+優異的剛性 +高重量 - 強度比 -高度各向異性

後處理
SLS零件生產的粉末狀顆粒表面塗層易於著色。
使用介質拋光、染色、噴漆和塗漆等各種後處理方法，可以讓SLS列印零件的外觀提升至相當高的標準。
它們的功能性還可以藉由防水塗層或金屬鍍層來增強。

SLS的優點和其限制

此技術的主要優點和缺點概述如下：
+SLS零件具有良好的各向同性機械性能，使其成為功能部件和原型的理想選擇。
+SLS不需要支撐，因此可以輕鬆生產具有複雜幾何圖形的設計。
+SLS的製造能力非常適合中小量生產。
-目前只有工業SLS系統被廣泛使用，所以交付時間比其他3D列印技術（如FDM和SLA）更長。
- SLS零件具有顆粒狀表面和內部孔隙度，如果需要光滑表面或防水性，可能需要後處理。
-SLS不能準精列印大平面和小孔，因為容易發生翹曲和過度咬合。

下表總結了SLA的主要特點：

	選擇性雷射光燒結（SLS）
材質	熱塑性塑料（通常為尼龍）
尺寸精度	±0.3％（下限±0.3 mm）
典型的列印尺寸	300 x 300 x 300 mm (高達750 x 550 x 550 mm)
普通層厚	100 - 120 microns
支撐	不需要

經驗法則

SLS可以生產大量工程塑料的功能零件，最常見的是尼龍（PA12），完成零件能表現出良好的機械性能和各向性運動；對於有特殊要求的組件，可用添加劑填充PA粉末。

參考資料

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