選擇性雷射燒結(SLS)3D列印大哉問!!

選擇性雷射燒結(SLS)3D列印因為有著強大的功能性物件,因此受到許多不同行業的工程師與製造商信任。

在這份文章中,我們將為您詳盡介紹選擇性雷射燒結技術、市場上可用的其他材料與技術、使用SLS列印機的工作流程,各種應用方式以及什麼時候該使用SLS 3D列印而非傳統的製造方式。

什麼是選擇性雷射燒結3D列印?

選擇性雷射燒結是一種加法製造技術(Additive Manufacture),這項技術用高功率的雷射光來將小顆粒的聚合物粉末燒結成3D立體結構。

數十年來,SLS 3D列印一直是工程師與製造商的熱門選擇。零件的低成本、高生產率與成熟穩定的材料,讓這項技術成為許多應用的理想方式,從快速打樣、客製化生產到小批量生產都沒問題。

機械、材料與軟體的快速進步與發展,讓SLS列印可以用在更廣泛的企業用途上,也有越來越多公司可以使用先前僅有少數高科技行業可以使用的工具。

 

SLS 3D列印如何運作?

  1. 列印:粉末會以薄層方式散步在成型粉槽內頂部的平台中。列印機將粉末預熱到略低於原料熔點的溫度,這讓雷射在追蹤模型以固化零件時更容易針對特定的區域加溫。雷射會掃描3D模型的橫截面,將粉末加熱到略低於熔點或正好等於熔點。將粒子燒結融合在一起,進一步形成實體零件。未燒結的粉末可在列印過程中作為物件的支撐,因此不需要專門的支撐結構。接著,平台會下降一層進入成型粉槽,通常是介於50-200微米之間,接著會持續重複這個過程,直到物件完成。
  2. 冷卻:列印後,成型粉槽內需要在列印機內與列印機外稍微冷卻,以確保最佳的機械性能也避免零件翹曲
  3. 後處理:將成品從成型粉槽中取出、分離,並清除多餘的粉末,粉末可以回收利用,且可以透過噴砂機等設備對物件進行進一步的後處理。

SLS物件表面的平滑度高,幾乎沒有層紋。可以使用噴砂機來讓物件表面更加平滑。圖片中的零件樣品是透過 Formlabs Fuse1 工業級3D列印機列印的。

因為未燒結的粉末可以在列印過程中作為物件的支撐,因此不需要專門的支撐結構,這讓SLS雷射燒結技術非常適合複雜的幾何圖形,包括複雜的內部特徵、薄壁與內凹細節等。

透過SLS雷射燒結技術所列印的物件具有出色的機械性能,其強度與射出成型的物件相似。

 

塑料3D列印種類比較

FDM 熱融沉積

  • 融化並擠出熱塑性線材
  • 最低的入門價格與材料
  • 最低的解析度與精確度

最適合:

基礎的概念測試與簡單打樣

SLA 雷射光固化

  • 雷射固化光敏樹脂
  • 超多元功能性材料選擇
  • 最高的解析度與精準度、精緻細節

最適合:

功能性打樣、細緻紋路、模具、機械加工件

SLS 雷射燒結

  • 尼龍雷射燒結
  • 平均單個零件成本低、產量高且不需支撐材
  • 出色的機械性能,似射出成型物件

最適合:

功能性打樣與成品生產

 

SLS雷射燒結3D列印簡史

選擇性雷射燒結是最早存在的加法製造技術之一,由德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard博士與Joe Beaman博士於1980年代中期開發。在這之後,已經有多款複合性材料適用於這項技術,包含塑料、金屬、玻璃、陶瓷等粉末。現在,這些技術統稱為雷射燒結—透過這種技術,熱能可以選擇性地融合粉末床的部分區域。

當今,兩種最常見的粉末床熔融設備是:塑料雷射燒結(稱作SLS)與金屬雷射燒結(DMLS),截至前陣子,塑料雷射燒結(SLS)與金屬粉末雷射燒結(DMLS)設備都是非常昂貴且複雜的,也因此,通常只有少量的高單價零件會用上,像是航太零件或者醫療設備等。

近期,這個領域有了許多的創新研發,塑料SLS 3D列印技術,隨著其他的3D列印技術,如雷射光固化(SLA)與熱融沉積(FDM),以輕巧便捷、易獲取的設備系統獲得廣泛的應用。

 

SLS 3D列印機的種類

所有選擇性雷射燒結3D列印機都是依照上一段所提及的流程進行建構,主要區別僅在雷射的類型、成型體積的大小、以及系統的複雜性。不同的機器使用的溫度控制、粉末分配與層沉積的解決方案都不盡相同。

選擇性雷射燒結在整個列印的過程中都需要很高標準的精度與很嚴格的控制。在移除粉末與物件前,預熱、燒結、與存放三個階段中,粉末與未燒結完成的零件之溫度必須控制在所需溫度的2°C差以內,進而最大程度地減少翹曲、壓力,以及熱引起的變形。

傳統的工業級SLS 3D列印機

 選擇性雷射燒結數十年來一直是專業人員最常用的3D列印技術之一,但它的複雜性、要求、高單價等因素限制了它在公家單位或企業中被使用的比例。

傳統的工業級3D列印系統使用單個或多個高功率的雷射。列印過程中需要惰性環境—氮氣或其他氣體—來防止粉末氧化和降解,因此這會需要專用的空氣處理設備。

這些機器還會需要特殊的電壓與工業電源,即使是最小型工業機器也要佔用至少10平方米的安裝空間。因為SLS設備的高價與高門檻,讓許多企業無法使用傳統的工業級SLS。

 

Fuse1:首款檯式工業級雷射燒結3D列印機

就像其他的3D列印技術如 FDM、SLA,較低成本且機動輕巧的 SLS 3D 列印機已經開始在市場上出現,不過這些解決方案也會伴隨著取捨—像是較差的物件品質、複雜且手動式的工作流程—因為缺乏了完整的後處理解決方案,這也大大地限制了它們在工業或生產製造方面的應用。

Formlabs Fuse1 縮短這一差距,並透過首款檯式工業級 SLS 3D 列印機來創造出自己獨特的類別,這款列印機提供了高品質、不大的佔地面積與完整又簡單的工作流程,且它的成本僅為傳統工業級SLS設備的一小部分!

Fuse1使用單一雷射,且擁有較小巧的成型粉槽設計,所需要的熱能較少。因為粉末在高溫中暴露的時間較短,因此不需要有惰性氣體與專用的空氣處理設備。而較低的能量損耗也意味著它可以使用標準的交流電來運行,不需要做專門的架構。

Fuse 1 採用了名為Surface Armor(專利申請中)的解決方案,會在物件表面形成燒結保護膜,讓物件周圍在列印時可均勻受熱,進而確保出色的表面平滑度、良好的機械性能、高度的可靠性與良好的翻新率。

為了提供輕巧、完整封閉的設備系統與粉末處理功能,Fuse 1 還配備了Fuse Sift粉末處理系統,它結合了物件取出、粉末回收、儲存與混合等強大功能—全都集結在單一設備中!

總體來說,與入門級的傳統SLS 3D列印設備相比, Fuse1 這款檯式的工業級 SLS 3D列印機,提供了稍微較小的列印空間,不過得來的是大幅縮小的佔地面積、更簡單的工作流程與更低的成本。

 


SLS 3D列印設備比較

 

Fuse1:檯式的工業級 SLS 列印機

傳統的工業級 SLS 3D 列印機

售價遠低於傳統 SLS 3D 列印設備

3,000,000-20,000,000起

列印空間

165*165*300mm

550*550*750mm

好處

負擔得起、高品質物件、簡化的工作流程、更小的佔地空間、更少的維護時間

更大的成型空間、高品質物件、高產出、多材料選擇

壞處較小的成型空間、較少的材料選擇非常昂貴的機械設備、非常大的佔地面積、週邊設施要求、高度維護需求、需要特定操作員

 


SLS 3D列印材料

選擇性雷射燒結最常用的材料是尼龍,一款功能強大的熱塑性工程材料,不管是要做功能性打樣或者當作成品應用都沒問題。尼龍對於複雜的零組件與需要耐磨耐用的零組件來說非常理想,它的環境穩定度非常高。

SLS 3D列印的尼龍零件很堅固、硬度高且耐用。成品物件具有耐衝擊性、可承受反覆的磨損。尼龍具有抗紫外線、光線、熱量、濕氣、溶劑、溫度雨水的能力。且透過 Formlabs 尼龍粉末列印的物件具有生物相容性,是非敏化劑,這代表了它可以穿戴,也可以安全使用在其他許多用途。

尼龍粉末是一種合成熱塑性聚合物,屬於聚酰胺家族。尼龍 12 具有廣泛的應用範圍,是一種用於 SLS 3D 列印的通用粉末。尼龍 11 則可作為更強的功能性樣品與最終成品應用,這些應用需要更高的延展性、抗衝擊性以及承受磨損而不發生脆性破壞的能力。

Nylon 11Nylon 12
韌性、堅固、靈活的材料,適用於耐用性和性能至關重要的物件
  • 抗衝擊樣品、夾治具和固定裝置
  • 薄壁管狀結構與外殼
  • 卡扣、夾子和鉸鏈
  • 矯形器和假肢

具有細緻度和高精度的通用型多功能材料。

  • 高性能樣品設計
  • 小批量生產
  • 夾治具、固定裝置和工具
  • 通用 SLS 零件

 

 Nylon 11Nylon 12
極限拉伸率49 MPa50 MPa
拉伸模量1573 MPa1850 MPa
斷裂伸長率40%11%
耐衝擊強度71 J/m32 J/m
0.45 MPa 熱變形溫度182°C171°C

 


 

SLS 3D列印流程

1. 設計與準備您的檔案

可以使用任何CAD軟體或3D掃描器設計模型,接著將其以3D列印的檔案格式(STL或OBJ)輸出。每台SLS列印機都包含用來指定列印位置、方向、排列模型、計算列印時間以及對檔案進行切片的軟體。設定完成後,切片軟體會透過 Wifi 或者有線連接將資訊發到列印機上。

2. 準備列印機

準備列印機的工作流程根據不同的設備會有所差異,大多數的傳統 SLS 系統需要多餘的訓練、工具與人力上的準備與維護。

Fuse 1 讓大家對於簡單有效率的 SLS 工作流程有了新的想像,透過模組化的零配件,來達到不間斷列印與簡易的粉末處理。

3. 列印

完成所有列印前的檢查後,機器就可以開始列印了!根據零件的尺寸、複雜程度以及密度不同,SLS 3D列印的時間從幾小時到好幾天都有可能

完成所有預印檢查後,機器即可開始列印。根據零件的尺寸和復雜程度以及零件的密度,SLS 3D列印可能要花費數小時到幾天的時間。
當列印完成後,在進行下一個階段前進行粉槽必須先行冷卻,冷卻完成後,可將成型粉槽取出,並放入新的成型粉槽來進行下一次列印。為了確保最佳的機械性能與避免物件翹曲,在進行物件的後處理前,成型粉槽需要事先降溫,這最多可能會需要到列印時間的一半。


4. 物件取出與後處理

與其他3D列印的過程相比,後處理 SLS 物件 所需的時間與人力最少。因為它沒有支撐材,所以很輕易地可以拓展物件到整個列印空間,可以批量列印且能擁有一致的效果。

在完成列印作業後,從成型粉槽中取出完成的零件、將它們分離、並清除多餘的粉末。這個流程通常是需要在清潔工作站或噴砂

零件回收後剩餘的任何多餘粉末都將被過濾以去除較大的顆粒,並可以回收利用。未熔化的粉末在暴露於高溫下會輕微降解,因此應使用新材料對其進行更新,以用於後續的列印作業。這種重新使用材料進行後續工作的能力使 SLS 成為浪費最少的製造方法之一。

SLS 設備們其中一項非常重要的點就是它的粉末後處理。在 Fuse 1 的工作流程中,Fuse Sift 單一設備就包含了物件取出、粉末過篩、粉末回收、粉末儲存、粉末混合等多元功能。

Fuse Sift為 Fuse 1 完整了整個 SLS 3D列印的工作流程。

它為取出列印物件與回收粉末提供了一個安全有效的系統。

Fuse Sift 可以自動分配和自動混合新舊粉末,

因此您可以減少浪費並減低粉末使用成本。

 

5. 額外的後處理

SLS 3D列印物件在取出並除粉後即可使用,不過針對 SLS 3D 列印的零件,您還有其他幾個後處理步驟可以考慮。

一般情況下,SLS 3D列印物件會有顆粒狀的表面效果。Formlabs 建議您使用噴砂機來讓物件獲得更高的表面光滑度。零件可以噴漆、上漆、電鍍或者上色來獲得不同的表面效果與特性,例如防水性與導電性等。Formlabs的SLS物件顏色較深,因此比較不適合染色。

 

為什麼選擇 SLS

工程師與製造廠商選擇雷射燒結技術是因為它的設計自由度高、生產率和產量都高、平均單件成本低、功能性多元、且可作為最終成品應用。

設計自由

大多數加法製造技術,例如雷射光固化(SLA)與熔融沉積(FDM),都需要專門的支撐才能列印擁有懸狀特徵的設計。

選擇性雷射燒結不需要支撐結構,因為在列印的過程中,未燒結的粉末可以作為物件的支撐。SLS 3D列印可以去列印其他技術做不到的複雜幾何形狀,像是互相鎖在一起的活動式物件、帶有內部組件或通道的物件,以及其他高度複雜的設計。

工程師通常在設計零件時會考慮到它最終在製造過程的應用,這也稱作製造設計(DFM)。當加法製造只用來製作樣品時,它僅限於傳統製造工具最終可以在生產過程中複製的零件與設計。

隨著選擇性雷射燒結成為越來越多成品應用快速地製造方法,它能夠為設計與工程帶來更多新的可能性。SLS 3D列印機可以生成複雜的幾何圖形,而這些複雜的幾何圖形是傳統手工藝無法製造,或者成本太高的。SLS 也讓設計師能夠將通常需要多個零件的複雜組合件,整合到一個零件中。這可以有效地減輕物件弱點並減少組裝時間。

選擇性雷射燒結可傳統方法無法製造的複雜晶格結構輕量化,進一步讓創造力更充分發揮。

高生產力與高產量

SLS 3D列印是用於功能性、耐用的物件或者成品物件。與工業用FDM等其他技術相比,用來熔融粉末的雷射具有更快的掃描速度,也更加準確。

在列印過程中,可以將多個物件緊密排列,用最大的限度來利用每台機器的可用空間。操作員用軟體來優化每次的列印工作來獲得最高的生產力,零件之間只留下最小的間隙。

經過驗證、可作為成品的材料

SLS 3D列印的多功能性關鍵是它的材料。尼龍與其複合材料是經過驗證的高品質熱塑性材料。雷射燒結的尼龍物件密度接近100%,其機械性能可與使用傳統製造方法(像射出成型)製造的物件媲美。

SLS 尼龍燒結是一般射出成型物件很好的替代品。與任何其他加法製造的技術比起來,它可以用來製作更完善的活動鉸鏈、卡扣和其他機械組合件。它非常適合用來作需要持續使用的塑料物件,因為用其他加法製造(AM)方法製作的零件,可能會隨著時間的推移而變脆。

縮減產品開發流程

選擇性雷射燒結讓工程師能夠在設計週期的一開始就製作物件的樣品,且可以使用相同的機器來製作最終的成品。SLS 3D列印不需要與傳統製造一樣昂貴又耗時的工具,因此可以在幾天內就進行測試與輕鬆修改零件與組件原型。這大大的縮減了產品開發的時間。

鑑於其每個零件相對低的成本和耐用的材料,SLS 3D列印是一種為最終產品生產複雜的客製化零件或一系列小組件的經濟方式。在許多情況下,雷射燒結是一種經濟高效、可替代射出成型方法,可用於小批量生產的技術。

 


 

SLS 3D列印應用

SLS 3D 列印可以加速產品的開發,並為工程、製造與醫療保健等多元行業提供支持。

工程

協助您的整個產品開發過程,從迭代您的第一個概念設計到製造成品:

  • 快速原型製作
  • 提供業界客戶反饋的功能樣品
  • 嚴格產品功能測試(例如:管道系統、支架)

製造業

打造您的供應鏈並快速響應不斷變化的需求:

  • 最終成品生產
  • 小批量生產
  • 生產新型大規模客製化消費產品
  • 備用零件生產、提高供應鏈產量
  • 耐用的夾治具、固定裝置和工具
  • 客製化汽車或摩托車零件、船舶設備、軍事用品等

衛生保健

在公司/單位內部製造即用型、針對特定患者的醫療設備:

  • 醫療器械原型製作
  • 假肢和矯形器(肢體置換 + 支架)
  • 手術模型+工具
  • 最終成品物件(尼龍粉末具有生物相容性)

 

想更加深入了解 Fuse 1 與 Fuse Sift 特色,歡迎觀賞以下影片

或者致電 02-2537-7638 將有專人為您解答!

 

 

 

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