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陈 旭
（北京市科学技术研究院，北京 100089）
3D打印无需传统的刀具、夹具及多道加工工序即可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”[1]。3D 打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，全世界各个国家均高度重视并积极推广该技术。
3D打印的方法主要包括选择性激光烧结（SLS）法、熔融沉积成型（FDM）法、立体光固化成型（SLA）法、分层实体造型（LOM）法、电子束熔覆（3DP）法[2]和金属液滴3D打印（metal droplet 3D printing）法[3-5]。其中，选择性激光烧结法是3D打印中比较成熟的一种工艺方法。
近年来，随着3D打印技术的不断发展，选择性激光烧结技术在航空航天、生物医疗、建筑装饰等领域率先获得应用并得到迅速发展，但针对该技术在机械制造领域中的应用研究相对较晚[6]。基于此，本文首先介绍了选择性激光烧结技术的加工原理，然后阐述了选择性激光烧结技术在机械制造领域中的应用研究进展，最后对选择性激光烧结技术的未来发展进行展望。本文研究内容对了解选择性激光烧结技术在机械制造领域中的应用研究现状具有一定的参考价值。
选择性激光烧结技术的加工原理是在激光束的照射下将粉末材料（金属粉末材料或非金属粉末材料或复合材料）进行烧结，然后利用计算机软件按照预先设定好的程序完成零/部件的堆积成型。选择性激光烧结技术的加工原理图如图1所示。
图 1 选择性激光烧结技术的加工原理图[7]
本文主要从金属材料、非金属材料两方面阐述选择性激光烧结技术在机械制造领域中的应用研究进展情况。
2.1 金属材料选择性激光烧结技术的研究进展
选择性激光烧结技术最先应用于金属材料的加工制造中，且取得了很好的效果。任乃飞等人[8]对金属粉末选择性激光烧结技术进行了研究，提出了间接法和直接法两种典型的金属粉末激光烧结成形方法，可以很大程度上缩短产品开发周期、节约开发成本。史玉升等人[9]将真空压差铸造工艺和选择性激光烧结技术相结合，成功制造出复杂、薄壁金属零件，其工艺原理图如图2所示，该方法可以为降低熔失模的铸造误差提供较好的解决方案。
图 2 选择性激光烧结金属零件快速铸造工艺原理图[9]
任继文等人[10-11]研究了工艺参数对316不锈钢粉末选择性激光烧结温度场的影响，并提出了选择性激光烧结技术的有限元算法，其流程图如图3所示，为下一步实验选取合理的工艺参数提供理论依据。
图 3 选择性激光烧结技术的有限元算法流程图[11]
周建等人[12]利用选择性激光烧结技术将316L不锈钢粉末加工成圆薄片，其利用有限元分析软件ANSYS 在激光功率为 10 W、扫描速度为 2 000 mm/s、预热温度为 100 ℃的工艺参数条件下，成功将316L不锈钢粉末成型为满足使用性能要求的圆薄片，为选择性激光烧结技术成型金属制件过程中的工艺参数选择奠定基础。牛爱军等人[13]研究了基于选区激光烧结技术的金属粉末成型工艺，通过调节工艺参数制备出所需性能的仿生多孔金属材料零件，为更好地提高制件的烧结性能提供依据。周万琳等人[14]利用选择性激光烧结技术成功制备出一种Ti6Al4V钛合金种植体，该种植体的外形结构完整、螺纹清晰、无明显结构缺损、表面精度高，为后续的临床实验提供技术支撑。胡小萍等人[15]研究了基于选择性激光烧结技术的铝合金表面激光雕刻工艺，加工制造出立体感强、图案逼真、装饰效果优的铝合金型材产品，但激光制造成本高的问题还有待进一步解决。季业益等人[16]利用选择性激光烧结技术对304L不锈钢粉末进行加工试验研究，得到的试件硬度、抗拉强度等力学性能均满足要求，为进一步提高零/部件的成形质量以实现零件的精密成形提供有效参考。宋彬等人[17]将选择性激光烧结技术、铸造工艺设计和模拟优化技术，以及熔模精密铸造技术相融合，成功制备出汽车双金属发动机缸体，如图4所示，有效地解决了汽车双金属发动机缸体生产周期长、模具成本高、质量不合格等问题。
2.2 非金属材料选择性激光烧结技术的研究进展
选择性激光烧结技术在非金属材料及复合材料的加工制造中有着广泛的应用。荆奕菲等人[18]研究了基于选择性激光烧结技术的球形石墨碎片成形工艺，利用选择性激光烧结技术通过选择最优的工艺参数组合（激光功率为21 W、扫描速度为2 400 mm/s、扫描间距为0.10 mm、分层厚度为0.21 mm），快速制备出复杂石墨原型件，为非金属制件成型过程中的工艺参数选择提供参考。师平等人[19]对选择性激光烧结成型尼龙6的拉伸性能进行研究，得到了成型工艺参数对尼龙6成型件拉伸性能的影响规律：在体堆积方向上激光功率对选择性激光烧结成型尼龙6的拉伸力学性能影响程度最大，扫描速度和分层厚度次之，预热温度最小。司亮等人[20]研究了选择性激光烧结与注塑成型尼龙 6制件的性能，研究结果表明：选择性激光烧结成型制件比注塑成型制件的致密度小、抗拉强度高，但其断裂伸长率和断裂能低、表面粗糙度大。师平、司亮等人所得研究结果为应用选择性激光烧结技术成型尼龙6制件的最优工艺参数组合的确定提供依据。王凡[21]利用选择性激光烧结技术对聚苯乙烯基复合材料进行了加工实验研究，结果表明，基于选择性激光烧结技术的聚苯乙烯基复合材料成型精度高、铸件质量优，为聚苯乙烯基复合材料的快速熔模铸造奠定理论基础。晏梦雪等人[22]利用选择性激光烧结技术成功制备出轻质复合材料飞行器仪器支架，如图5所示。并对其性能进行综合评估，研究结果表明：利用选择性激光烧结技术制备的复合材料飞行器仪器支架满足力学性能、热性能及动态热力学性能的各项要求，且支架减重约40%，满足了目前飞行器仪器支架对轻量化、快速开发及结构优化的要求。徐翔民等人[23]研究了选择性激光烧结Al2O3/PA12复合材料的力学性能和热性能，结果表明复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度随着Al2O3含量的增加逐渐降低；
而复合材料的热稳定性不受Al2O3含量变化的影响，研究结果为更好地利用选择性激光烧结技术制备出Al2O3/PA12复合材料构件奠定了基础。
图 4 利用选择性激光烧结制备的双金属发动机缸体[17]
图 5 制备的轻质复合材料飞行器仪器支架[22]
选择性激光烧结技术的优势[24-26]主要有以下几点：
（1）可以制造出高强度、材料性能优异的零/部件，加工传统方法难以制造的大型复杂结构零/部件时，无需多到加工工序，可直接获得最终产品。
（2）零/部件成型过程中无需设计和构造支撑部件。
（3）可以大幅减少零/部件的加工制造时间、降低制造成本、且对环境造成的污染较小。
但选择性激光烧结技术也存在诸多缺点，主要表现在以下几个方面[27-29]：
（1）零/部件打印过程中需要确保温度恒定，打印前需预热，打印后需冷却。
（2）在打印全封闭的零/部件时需要预留孔洞，便于去除粉材。
（3）选择性激光烧结过程能耗高，能量利用率低，且对实验室的环境有较高要求。
（4）零/部件成型过程中会出现层变形、微结构聚集、 “球化”效应等现象，影响表面粗糙度，从而降低零/部件的打印精度。
针对目前选择性激光烧结技术在机械制造领域应用中存在的不足之处，笔者认为，未来选择性激光烧结技术的研究方向应集中在以下几个方面：
（1）对打印过程中的温度进行实时控制，增加温度传感器及相应控制算法或控制系统，并通过人机交互界面实现对打印过程中温度的实时调节，确保打印过程中温度恒定。
（2）对全封闭零/部件的内部结构进行拆解分析，然后利用三维建模软件对其进行精准建模，并通过激光逐层精确打印，实现封闭零/部件内部结构的一次成型，避免预留孔洞，以提高全封闭零/部件的成型速度及成型质量。
（3）在其他参数保持不变的条件下，重点研究激光速度、激光功率、粉末大小和粉末温度等对选择性激光烧结成型过程的影响规律，以解决选择性激光烧结过程能耗高、能量利用率低的问题。
（4）在激光能量密度低的情况下会出现“球化”现象，导致成型制件相对密度较低。针对此问题，需要研究改善现有快速成型工艺与设备，研讨不同工艺参数下的制件成型质量，通过单因素试验和多因素正交试验确定最优参数组合，兼顾考虑制件的成型表面粗糙度、力学性能、热性能等指标，必要时需对制件进行后处理操作，以改善制件的成型质量及使用性能。
本文介绍了选择性激光烧结技术的成型工艺原理，从金属材料、非金属材料两方面阐述了选择性激光烧结技术在机械制造领域中的应用研究进展，分析了目前选择性激光烧结技术的优势与不足，对相关专业技术人员了解选择性激光烧结技术在机械制造领域中的应用研究现状具有一定的参考价值。
作为近年来一种新兴的制造技术，选择性激光烧结技术较传统加工方法有着不可替代的优越性，但还有很多方面需要完善，比如成型制件的表面质量、力学性能和热性能等。相信随着科技的不断进步与快速发展，一定会取得更多的技术突破，进而使选择性激光烧结技术应用到更多领域，为制造业的发展提供巨大的动力。
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