選擇性激光燒結塑料3D列印的隱患和挑戰

儘管其幾十年的悠久歷史，選擇性激光燒結(SLS)仍然具有未開發潛力，形成使用其他 3D列印 方法難以製作的高質量生產零件。生產高質量塑料部件的3D列印的最大挑戰之一是通常以z軸的強度降低而觀察其機械性能強弱。

雖然Essentium和Rize3D等公司已經嘗試克服這些局限性，但是在熔融長絲製造(FFF)方面進行了新的修改，而碳已經在類似於立體光刻( SLA )的方法中證明了改進的機械性能，這些公司在提供更多的機械各向同性部件方面是獨一無二的。

相比之下，作為列印技術的SLS固有地提供了更多的機械各向同性的部件。此外，SLS列印中的粉末床作為零件的天然支撐結構，使得難以使用FFF或SLA進行列印的幾何以及垂直「嵌套」零件。

結構聚合物如何解決SLS 3D列印的局限性

然而，由於有限數量的市售熱塑性粉末，SLS受到材料限制。此外，SLS設備開發落後於其他技術，封閉材料平台許多大型SLS印表機製造商使用進一步限制了新材料採用。

我們最近與SLS列印公司的發明者Carl Deckard及其結構聚合物公司 Vikram Devarajan的聯合創始人就他們對SLS未來機會的看法以及他們如何設想材料開發來解決SLS列印在整個價值鏈中的核心挑戰。

選擇性激光燒結系統具有一系列價格點，但由於許多系統的溫度範圍有限，材料選擇有限。值得注意的例外是粗體。

表：PA =聚醯胺； TPE =熱塑性聚乙烯； PEEK =聚醚醚酮； PEKK =聚醚酮酮； TPU =熱塑性聚氨酯

今天SLS的主要限制之一是缺少可以以這種列印方法所需的粉末形式生產的材料，這反映在上表中所示的各種可用材料中。市售的塑料粉末通常通過以下兩種方法之一製成：冷凍研磨或溶劑型沉澱。

這些方法中的每一種都與許多期望的熱塑性塑料不相容，並且兩種方法都是昂貴的並且產生具有寬的粒度分布的粉末。

結構聚合物旨在通過其通過斬波纖維生產粉末的新方法來擴大SLS列印的熱塑性粉末的範圍。其紡織加工設備的生產方法可以從廣泛的熱塑性塑料製造粉末，並且顯示出更好的受控粒度分布。

雖然尼龍12是今天最常見的SLS材料，但Carl和Vikram表示，結構聚合物已經展示了幾種高度商業利益的聚合物的生產，其中可接受的粉末目前不能用於SLS。

這些材料包括彈性體(特別是熱塑性聚氨酯)，幾種聚丙烯和聚酯。儘管材料多樣性是推動應用應用的必要條件，但從流程的角度來看，通過低溫研磨或溶劑型沉澱驗證新粉末的時間表仍然非常慢，並且可以擴大到滿足需求，而不會影響粉末質量和一致性。

新材料的商業化取決於材料供應商和印表機製造商合作提供與其常規製造的類似物競爭的材料性能。

除了有限數量的可列印塑料粉末外，目前的SLS印表機還有幾種設備限制。由於早期使用SLS中的尼龍，大多數日期安裝的印表機只能達到200°C的最高燒結溫度，因此不能燒結高性能聚合物(EOS和Oxford Performance Materials作為顯著的例外)。

SLS在地平線上的變化

此外，大多數系統使用過於簡單的溫度控制系統，阻礙了精度以及最終的列印速度。卡爾預測，類似於FFF印表機創新和設計的激增，允許更全面的印表機價格和能力範圍，在未來五年內，SLS印表機將在設計過程中進行大修，從而消除對溫度，速度的限制，以及早期型號的成本。

這種技術創新將需要投資SLS的承諾和材料供應商和產品製造商的支持，並且在設備層面已經有顯著的支持跡象。該低成本SLS 3D印表機 通過Sinterit，取得Sintratec和Formlabs反映的FFF桌面專業印表機的研發和EOS的高溫雙激光系統的公告是對更加方便和生產導向SLS系統早期步驟。

開放材料系統

SLS列印中新材料採用的最終限制是主要SLS印表機製造商使用的封閉業務模式。像3D Systems 這樣的公司要求客戶在其SLS系統上使用公司的材料，並且只提供有限的材料。

展望未來，Carl和Vikram預計，新材料開發將導致對可以使用更廣泛的熱塑性塑料的開放系統的需求更強。Prodways等公司已經如上表所示朝著這個方向發展。封閉系統市場領導者是否遵循開放材料模式，成為印表機銷售未來收入的一個問題，超過了材料銷售向第三方的未來收入損失。在這方面，惠普雖然也使用尼龍粉末列印，但其材料平台是開放的，允許第三方材料的加入測評，這一塊做的很好。

在上表中可以看到克服當前SLS列印技術的局限性的進展情況，顯示了市場上一些領先的SLS印表機的技術規格。具體來說，大膽的文字顯示了一些公司如何開始應對與設備成本，材料多樣化和溫度限制有關的挑戰。

然而，SLS列印的廣泛採用將需要材料開發商，印表機製造商和零件製造商共同合作，並模擬垂直整合，這有助於推動成功的金屬粉末床技術在航空航天和醫療應用中的應用。

如何改善SLS 3D列印

雖然卡爾表示，SLS印表機的改進將受到材料開發的推動，但材料開發又需要受到印表機開發商和最終零件製造商的關注。

對材料開發和供應有興趣的公司應探索新穎的熱塑性粉末生產方法，通過與結構化聚合物等初創公司的合作夥伴關係或通過內部開發擴大SLS熱塑性塑料的範圍。

印表機開發商有機會通過更便宜，更快速和更高的處理溫度設備來區分自己。最重要的是，產品設計師和製造商應該考慮SLS列印的定製產品，需要比FFF或 SLA 目前提供的更好的各向同性特性，並且應該與材料和印表機開發人員合作，將材料和加工能力推向所需的產品規格。

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