激光烧结(SLS)3D打印光源技术的发展——实现高速、高精度的关键

粉末床激光烧结（SLS）工艺的发展已有约30年，从最初打印覆膜砂、聚苯乙烯粉末，逐渐发展为制造尼龙及其复合材料等最终零件的高性能聚合物3D打印工艺。光源是绝大多数3D打印技术重要的组成部分，对于SLS技术来说，光源技术直到近年才发生一些明显的变化，相比其他工艺可选择性较为单一，但带来的影响却是巨大的。

打印材料决定了应当选择的激光类型，对于聚合物粉末床激光烧结SLS工艺来说，当前在商业化的设备商使用的能量源有CO2激光、CO激光和光纤激光；面向未来正在研发的有半导体激光二极管。

一. 光纤激光+改性材料——高速烧结

将光纤激光用于SLS技术同样是一项创新，因为光纤激光对于高分子聚合物几乎没有吸收。光纤激光相比CO2激光器功率更高、光斑尺寸更小、稳定性更好，能够解决后者制约生产能力与制造质量的关键性技术难题。如果光纤激光能够实现超精细超高速烧结，高分子增材制造产能及制造水平将提升至全新高度。在该领域，华曙高科开发的Flight技术已成功实现商业化应用。

华曙高科光纤激光高速烧结技术

华曙高科将光纤激光引入高分子粉末床烧结的关键是研发“新材料”，基于在高分子粉末中加入“热介质”，提高高分子材料吸收光纤激光能量的效率，开发新的原材料配方及适配的配粉工艺，华曙高科实现了材料对光纤激光能量的高效吸收。

采用Flight技术打印的汽车进气歧管

在效率方面，Flight技术在相同的时间内相比传统的SLS工艺在产能方面提高了数倍，比HSS高速烧结工艺提高了3倍。Flight高分子光纤激光烧结技术，在效率、产能、打印细节品质方面，把SLS工艺带到了新的发展阶段。然而由于高分子材料对光纤激光固有的低吸收率，材料技术的改进将是该技术得以实现的重要关键点之一。

二. 面阵光源+半导体激光——面烧结

2018年，EOS宣布推出LaserProFusion技术，它采用近百万个二极管激光器排成阵列激光，瞬间一次性烧结粉末材料，相比过去的单个CO2激光器，新技术的烧结速度快出10倍。EOS将其称为唯一能够取代注塑成型的“革命性的聚合物增材制造技术”，它将使工业3D打印在未来市场更具吸引力。LaserProFusion总输出功率可达5千瓦，在进行单层扫描时，只激活与CAD数据相匹配的二极管，整个截面同步烧结，这比依赖单个激光光斑沿整个构建区域移动的方式自然要快很多。EOS介绍，LaserProFusion技术使聚合物连续制造提高到了新的生产力水平，在5000-10000件的制造量级中相比注塑成型更具成本效益，足以与传统注塑技术同台竞争。但这项技术截止目前没未有商业化的设备推出。

EOS LaserProFusion技术

另一家采用半导体激光实行SLS工艺的是一家成立于2016年的以色列公司3DM，其开发了一种平行激光束方法，其核心技术是公司专门为3D打印开发的半导体激光器，是一种小型（几毫米大小）、成本仅有几十美元、光源功率高（高达4W，相当于20WCO2激光器）。这使公司能够经济高效的将多达六个激光器组合成一个光束，以提高光束功率和加快打印速度。这种激光技术的一个重要特点是能够通过设计调整其波长发射（实现4-15微米波长调整），以完美适应热塑性材料的最佳熔化行为。3DM声称，基于其独特的光学和架构配置可以将粉末床3D打印的速度降至每层1秒，从而将打印机的吞吐量提升10倍，基于该技术的设备正在开发中。

3DM开发的面烧结设备

三. CO激光——高精度激光烧结

CO2激光是SLS工艺技术诞生以来最主要的能量源，聚合物对其波段具有较高的吸收率且其制造成本低、光源可靠稳定。但随着激光技术的发展，与其波长接近的CO激光的研究获得了一些进展。2015年，相干公司在技术上取得突破，使新一级别高功率CO激光器具有跟之前推出的板条激励CO2激光器类似的寿命、可靠性和维护特性，开启了一些潜在的应用可能性。借此，激光烧结SLS工艺的开创者EOS率先开启了CO激光为光源的激光烧结3D打印商业化。

CO激光器的输出波长为5（5-6）μm，不同于10.6（9-11）μm的CO2激光器。由于某些材料在5μm和9-10μm处具有不同的吸收系数，因此存在与波长有关的光-材料交互作用问题。对于PE、陶瓷、玻璃来说，它们对CO激光具有更高的吸收率，使其在这些材料的加工领域有独特的优势。同时，CO激光也适用于加工一些电介质材料和PCB板的氧化铜。然而，硫化物光纤对5μm波长的吸收率却很低，这为CO激光的光纤传输提供了可能性。

聚合物对不同波段激光的吸收率

CO2激光理论上受衍射限制的光斑尺寸约为55µm，而在工业应用中实际实现的最小光斑尺寸为80-90µm。在相似的聚焦条件下，CO激光器可以达到大约25µm的理论光斑尺寸，实际光斑尺寸在30-40µm的范围内，更小的光斑尺寸可以制造更加精细的结构。此外，CO激光的功率密度可以达到CO2激光的四倍。更高的功率密度再加上某些材料在5µm处更强的吸收能力，使得这些材料可以用低得多的功率进行处理。

EOS将基于CO的激光烧结技术命名为FDR（FINE DETAIL RESOLUTION），这项新技术的定义将结合两个方面的优势——立体光刻（SLA）的精细分辨率与选择性激光烧结（SLS）的耐用性和质量。FDR技术专注于生产精密组件，已公开的数据显示，该技术可以打印最小壁厚为0.22mm的精致而坚固的聚合物零件。

使用FDR技术进行增材制造的插头（来源：EOS）

基于FDR技术制造的超精细表面和超精密组件（来源：EOS）

对于总的趋势，效率是SLS聚合物3D打印技术发展的第一考虑因素，这主要体现在华曙高科的Flight技术以及EOS和3DM的面烧结技术均体现了这一问题。而对于采用CO激光作为热源，考虑的多是小众应用，成本较高。

伴随着激光烧结技术的发展，新的材料技术也获得了进步，随之而来的是新的应用方向和应用规模的增长。2021年，全球热塑性聚合物粉末收入9.02亿美元，比2020年分别增长43.3%，而光敏聚合物和丝材的市场规模分别为6.542亿美元和5.159亿美元。这是3D打印聚合物粉末的销售收入首次超过光敏聚合物，说明3D打印完成了由原型制造到最终用途零件制造的角色转变。随着系列生产应用的增加，聚合物粉末在未来几年成为主要的3D打印聚合物材料。

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