材料成形装备及自动化 第3版 课件 第六章 2 液态树脂光固化成形

华中科技大学材料学院材料成形及控制工程专业核心课程华中科技大学精品课及责任教授课程材料成形装备及自动化

EquipmentandAutomationofMaterialsProcess2024-2025学年第二学期EAMP

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2目录第一章

绪

论（2学时）

第二章金属液态成形装备及自动化（10学时）

第三章

金属塑性成形装备及自动化（10学时）第四章

金属连接成形装备及自动化（10学时）第五章

高分子材料成形设备及自动化（2学时）

第六章

快速成形装备及控制（6学时）第七章

其它材料成形装备（4学时）第八章热处理工业炉及其控制（2学时）第九章材料加工中的环境保护装备（2学时）6.1概述6.2三维模型及数据处理6.3液态树脂光固化成形6.4激光选区烧结/熔化成形6.5熔丝沉积成形6.6微滴喷射成形6.7薄材叠层成形第六章

快速成形装备及控制EAMP

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36.3节目录§6.3.1光固化成形技术发展历史§6.3.2光固化成形工艺原理§6.3.3光固化成形系统及工艺§6.3.4光固化成形精度§6.3.5光固化成形设备§6.3.6光固化成形典型应用EAMP

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46.3.1光固化成形技术发展历史1984年美国Uvp公司Hull开发SLA（Stereo-LithographyApparatus,SLA）技术，1986年获得专利；创立世界第一家增材制造公司3DSystems，于1988年推出第一台商业SLA250；1990年德国EOS公司出售第一台SLA设备;2001年日本德岛大学研发出基于飞秒激光的SLA技术，实现微米级复杂三维增材制造；2011年奥地利维也纳技术大学研制最小的SLA机，仅有牛奶盒大小；2016年意大利solido3D公司开发手机LED屏幕DLP光固化打印机，精度0.042mm。国内：西安交大上世纪九十年代研发SLA技术；上海联泰科技有限公司生产销售SLA设备；近期出现一大批研发桌面级光固化（DLP）设备的微小企业。EAMP

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56.3.2光固化成形工艺原理光固化法Stereolithographyapparatus（SLA）

利用光能的化学和热作用使液态树脂材料固化，控制光能的形状逐层固化树脂，堆积成形出所需的三维实体零件。光照的方式图2.1三种曝光方式EAMP

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6采用掩模技术的光固化成形方式

光固化树脂是一种透明、粘性的光敏液体。当光照射到该液体上时，被照射的部分由于发生聚合反应而固化。图所示是将紫外光通过一个遮光掩模照射到树脂表面,使该树脂接受面曝光。6.3.2光固化成形工艺原理EAMP

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7采用激光束的光固化成形方式图所示的方式是用扫描头将激光束扫描到树脂表面使之曝光。液体树脂被照射部分发生固化，成形为所需形状的一层，然后用同样方式在该层面上再进行新一层截面轮廓的辐照、固化，依此类推，从而将一层层的截面轮廓逐步叠合在一起，最终形成三维原型。6.3.2光固化成形工艺原理EAMP

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8高能光束扫描方式

控制扫描头使高能光束（如紫外激光等）在树脂表面选择性曝光。“X-Y”平面运动方式系统光学器件少、成本低，且易于实现大幅面成形，但

成形速度较慢。振镜方式利用反射镜偏转实现光束的直线运动，速度快，但成本较第一种

方式贵，且扫描范围受限。图2.2扫描原理6.3.2光固化成形工艺原理EAMP

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9振镜扫描系统EAMP

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10光固化成形系统结构原理图1-反光镜2-光阑3-反光镜4-动态聚焦镜5-聚焦镜6-振镜7-激光束8-光固化树脂9-工作台10-涂敷板系统组成：激光器、光路系统、扫描照射系统、固化成形系统光源波长：325-355nm紫外光激光器：He-CO激光器、亚离子激光器、YAG激光器、YVO4激光器等辐照方式：XY扫描仪、振镜扫描（1）成形系统的组成及其工艺流程6.3.3光固化成形系统及工艺EAMP

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11

光固化成形过程EAMP

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12（2）成形过程光固化成形的全过程一般分为前处理、分层叠加成形、后处理三个主要步骤。（1）前处理：三维模型构造、成形方向选择、切片、生成支撑结构。（2）分层叠加成形：生成路径逐层叠加固化成形。（3）后处理：去除支撑结构、后固化、表面打磨。6.3.3光固化成形系统及工艺EAMP

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13（1）影响精度的因素

光固化成形过程中影响制件精度的最主要环节有：造型及工艺软件、成形过程及材料、后处理过程。影响最大的是液态光敏树脂的固化收缩，其次是层间的台阶效应。软件造成的误差1)数字模型近似误差

增材制造中通用STL格式的用无数三角面片逼近三维曲面的实体模型，造成曲面的近似误差。三角面片近似曲面过程6.3.4光固化成形精度EAMP

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14（1）影响精度的因素软件造成的误差2)分层切片误差成形前模型需要沿Z轴方向进行切片分层，由此曲面沿Z轴方向会形成台阶效应。降低分层的厚度可以减小台阶效应造成的误差，目前最小的分层厚度可达到0.025mm。3)扫描路径误差扫描设备很难设定扫描路线，一般用许多短线段来近似表示曲线，就会产生扫描误差。如果误差超过了容许范围，可以加入插补点使路径逼近曲线，减少扫描路径的近似误差。用短线段近似曲线6.3.4光固化成形精度EAMP

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15（1）影响精度的因素成形过程造成的误差1)激光束的影响激光器和振镜扫描头会出现零飘或增溢飘移现象，造成扫描坐标系统偏移；振镜扫描头结构本身造成原理性的扫描路径枕形误差，振镜扫描头安装误差造成的扫描误差；激光器功率不稳定，使被照射的树脂接受的曝光量不均匀。2)树脂固化收缩的影响光固化成形时，光敏树脂的固化收缩会使成形件发生变形，即在水平方向和垂直方向发生收缩变形。树脂固化成形过程发生翘曲变形6.3.4光固化成形精度EAMP

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16（1）影响精度的因素成形过程造成的误差3)形状多余增长在成形件形状的下部，树脂固化深度超量，使成形形状超出设计的轮廓。

解决方法有两种：一是采用软件检测数字模型下部的特征，并通过修改模型的数据对其有可能向下多余增长的部分，进行向上补偿；二是对于精度要求高的部分，可以在成形前将模型旋转一个角度，使该部分处于不会出现多余增长的垂直方向。成形件出现多余增长现象示意图6.3.4光固化成形精度EAMP

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17（2）衡量精度的标准光固化成形精度标准测试结构图1990年，北美光固化成形技术应用组织发明了一种可以检测增材制造整体精度的标准测试件，称之为user-part，如图所示。3DSystems公司借助该方法不断地应用于优化成形方法的研究、提高精度和加工性能。该标准特性：(1)在X、Y轴上的尺寸足够大，以至可以表述光固化成形机的承物台边缘和中间所有部分的精度；(2)具有大、中、小三种不同类型的数据；(3)用内、外两个尺寸来衡量线性补偿是否合适；(4)在Z轴方向的尺寸上很小，可减少测量时间；(5)很大程度上减少了材料的损耗；(6)各尺寸数据很容易用综合测量仪测量得到；(7)将平面、圆角、方孔、平面区域和截面厚度都表示了出来。6.3.4光固化成形精度EAMP

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18（3）标准测试件的测量光固化成形精度标准测试方式示意图测试翘曲量模型示意图user-part制件可能缺乏几何多样性，但应用该制件得到了相当多的基础数据，这些数据已经成为研究和进一步开发的公用标准。制件的中间部分被粘接在工作台上，目的是测试悬出端由于变形导致的与工作台之间距离的变化。6.3.4光固化成形精度EAMP

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19（4）提高精度的方法可以从四大方面提高制件的精度：（1）树脂材料：最好采用高强度、低粘度、小收缩率的树脂；（2）硬件方面：使用较细的激光束；（3）软件方面：优化扫描路径及分层方式；（4）制造工艺：协调优化材料、硬件、软件等以增强整个光固化系统的精度，采用合适的层厚、扫描方式等。6.3.4光固化成形精度EAMP

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206.3.5光固化成形设备光固化成形设备组成结构图

光固化成形系统设备包括激光及振镜系统，平台升降系统，储液箱及树脂处理系统，树脂铺展系统，控制系统。EAMP

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21光路系统EAMP

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22反射镜反射镜光阑激光器振镜扫描器聚焦镜液槽光敏树脂制件升降台光固化成形系统刮板涂敷系统EAMP

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24工作过程EAMP

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25工作台升起EAMP

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263Dsystem公司的光固化成形设备Vipersi2SLA3500SLA7000EAMP

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27华中科技大学开发的光固化设备EAMP

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286.3.6光固化成形典型应用目前SLA主要应用在新产品开发设计检验、市场预测、航空航天、汽车制造、电子电信、民用器具、玩具、工程测试（应力分析，风道等）、装配测试、模具制造、医学、生物制造工程、美学等方面。戒指工艺品光固化增材制造光固化技术制造模型辅助外科手术案例根据需求采用SLA技术打印出的戒指原模，产品的设计不受工艺水平限制，易实现小批量个性化生产，且更新速度加快。利用光敏树脂固化制造的连体婴儿头颅模型，复原其血管分布状况，为手术的进行起到了关键作用。EAMP

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29在通讯行业的应用EAMP

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30在电子行业的应用EAMP

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31在电子行业的应用EAMP

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32概念设计EAMP

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33电气产品EAMP

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34功能件、体育器材EAMP

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35模型EAMP

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36模型EAMP

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37模型EAMP

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381.5mm模型EAMP

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39创伤治疗的应用EAMP

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40用于快速制模EAMP

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41直接制作注塑模具EAMP

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42思考与判断名词解释：光敏树脂、光固化。影响SLA成形零件精度的因素有哪些？归纳SLA设备的系统组成及其作用。SLA技术适合哪些领域应用？EAMP

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436.1概述6.2三维模型及数据处理6.3液态树脂光固化成形6.4激光选区烧结/熔化成形6.5熔丝沉积成形6.6微滴喷射成形6.7薄材叠层成形第六章

快速成形装备及控制EAMP

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446.4节目录§6.4.1激光选区烧结技术发展历史§6.4.2激光选区烧结工艺原理§6.4.3激光选区烧结系统组成及功能§6.4.4激光选区烧结成形设备§6.4.5激光选区烧结典型应用§6.4.6激光选区熔化技术发展历史§6.4.7激光选区熔化工艺原理§6.4.8激光选区熔化系统组成及功能§6.4.9激光选区熔化成形设备§6.4.10激光选区熔化典型应用EAMP

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456.4.1激光选区烧结技术发展历史1986年美国Texas大学的研究生CarlDeckard发明SLS（SelectiveLaserSintering）技术，1986年研制出样机，并获得专利；1992年美国DTM公司推出Sinterstation2000系列商品化SLS成形机；1994年德国EOS公司推出了三个系列的SLS成形机，EOSINTP用于烧结热塑性塑料粉末；EOSINTM用于金属粉末的直接烧结；EOSINTS用于直接烧结树脂砂。1996年、1998年美国DTM公司推出了改进的SLS成形机Sinterstation2500和Sinterstation2500plus，同时开发出多种烧结材料。国内：1995年北京隆源公司研制成功第一台国产化激光增材制造设备；华中科技大学生产出了HRPS系列的SLS设备；还有南京航空航天大学、中北大学、湖南华曙高科等其他单位也在研究。EAMP

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466.4.2激光选区烧结工艺原理激光选区烧结（selectivelasersintering，SLS）技术利用高能束激光逐层扫描粉末，将离散粉末烧结成体，实现复杂三维实体制造。SLS成形原理图1）设计建造零件CAD模型：三维建模或利用反求法获得零件信息；2）将模型转化为STL文件；3）将STL文件进行横截面切片（z方向）分割；4）激光根据零件截面信息逐层烧结粉末，分层制造零件；5）对零件进行清粉等处理。EAMP

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47铺粉振镜扫描头激光器扩束聚焦镜6.4.2激光选区烧结工艺原理EAMP

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48去掉未烧结的粉6.4.2激光选区烧结工艺原理EAMP

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49无定形聚合物的激光烧结结构模型①②②①烧结前的粉体

烧结后粉体间的融合与啮合

（①融合，②啮合）EAMP

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50实际烧结状况PC材料制件的SEM照片100μm烧结前的粉体

粉体烧结后EAMP

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51ABS材料的制件激光烧结功率为7.5W时的SEM照片（a）上表面（b）侧表面EAMP

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52烧结模型（a）良好的烧结模型(b)过度的烧结模型EAMP

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53扫描间距对成形的影响(a)扫描间距过大（b）扫描间距适中EAMP

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54（c）扫描间距过小扫描间距对成形的影响EAMP

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55(b)长边异侧(e)向内循环(f)向外循环(d)光栅扫描(c)短边方向(a)长边同侧扫描轨迹对成形的影响EAMP

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56渗入树脂或蜡渗入树脂处理EAMP

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57渗入树脂处理PC材料烧结件渗入树脂后的烧结件EAMP

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58ABS粉末材料烧结件渗入树脂后的烧结件渗入树脂处理EAMP

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59玻璃微球与PA1010粉末复合的烧结GB与PA复合粉末材料烧结件拉伸断口的SEM照片(a)×900(b)×2000EAMP

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60玻璃微球粉末复合的烧结件曲面烧结件弹性烧结件EAMP

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616.4.3激光选区烧结系统组成及功能SLS的系统组成主要包括CO2激光器、振镜扫描系统、粉末传送系统、成形腔、气体保护系统和预热系统等。（1）CO2激光器SLS设备采用CO2激光器，波长为10600nm，激光束光斑直径为0.4mm，功率一般为50-100W。主要的工作物质由CO₂，N2，He三种气体组成。CO₂激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十毫安或几百毫安的直流电流。（2）振镜扫描系统SLS振镜扫描系统与LOM激光振镜扫描系统类似，由X-Y光学扫描头，电子驱动放大器和光学反射镜片组成。电脑控制器提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头，从而在X-Y平面控制激光束的偏转。EAMP

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62（3）粉末传送系统SLS设备中，送粉通常采用两种方式，一种是粉缸送粉方式，即通过送粉缸的升降完成粉末的供给；另一种是上落粉方式，即将粉末置于机器上方的容器内，通过粉末的自由下落完成的粉末的供给。铺粉系统也有铺粉辊和刮刀两种方式。（4）成形腔激光进行粉末成形的封闭腔体，主要由工作缸和送粉缸等组成，缸体可以沿Z轴上下移动。两种不同的粉末传送系统成形腔结构图6.4.3激光选区烧结系统组成及功能EAMP

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63（5）气体保护系统在成形前通入成形腔内的惰性气体（一般为N2或Ar），可以减少成形材料的氧化降解，促进工作台面温度场的均匀性。（6）预热系统在SLS成形过程中，工作缸中的粉末通常要被预热系统加热到一定温度（聚合物的玻璃化温度）。该温度下材料烧结收缩率低，不宜变形；使烧结产生的收缩应力尽快松弛，从而减小翘曲变形。

预热温度过高粉末被烧结结块，粉末颗粒发生黏结、失去流动性，造成铺粉困难；预热温度过低容易发生翘曲变形。一般在玻璃化温度，熔点以下20度左右。预热系统一般在成型腔顶部按照红外辐射加热，包括加热管、非接触式温度检测系统以及温控系统等部件。6.4.3激光选区烧结系统组成及功能EAMP

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646.4.4激光选区烧结成形设备国外：美国3DSystems公司

主要提供SPro系列SLS设备。采用了可移除制造模块和组合粉末收集系统，提高制造的可操作性和智能化程度。德国EOS公司设备包括P型和S型多系列SLS设备。其中，P型SLS设备主要用于成形尼龙等高性能塑料零件；新研发的P800型SLS设备，可提供超过200℃的稳定预热环境，能直接成形耐高温高强度PEEK塑料，成为世界上唯一可成形该类材料的SLS设备。国内：北京隆源自动成形系统有限公司，专门生产基于SLS设备。目前，最大成形空间达0.7m×0.7m。华中科技大学陆续推出SLS设备，在大尺寸SLS方面具有世界领先水平，最大成形台面接近两米。EAMP

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656.4.4激光选区烧结成形设备EAMP

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66上落粉型快速成形机EAMP

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676.4.4激光选区烧结成形设备EAMP

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68采用进口激光器采用国产激光器6.4.4激光选区烧结成形设备EAMP

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69超大范围工作场预热温度均匀四激光协同扫描、高精度拼接满幅面多点视觉测量自动校正实时划分多个激光器的工作区域为宁波伏尔肯科技股份技有限公司定制的大型陶瓷SLS装备-HKC17030

“四激光、四振镜、全球最大台面”陶瓷激光选区烧结增材制造装备KC17030，成形尺寸可达到1700×1700×600mm陶瓷SLS专用装备EAMP

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70HKC17030工作视频陶瓷SLS专用装备EAMP

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716.4.5激光选区烧结典型应用SLS成形的砂型及其铸件铸造砂型（芯）成形SLS成形的熔模及其铸件2.铸造熔模的成形SLS技术可实现铸型（芯）的整体制造，不仅简化了分离模块的过程，铸件的精度也得到提高。SLS技术可快速制造几乎任意复杂形状铸件的熔模。EAMP

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72用覆膜砂直接烧结的砂模、型芯和浇铸的铸件。6.4.5激光选区烧结典型应用EAMP

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73砂芯快速成形EAMP

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74蜡件EAMP

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75蜡件EAMP

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76蜡件EAMP

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773.高分子功能零件的成形SLS成形尼龙零件经后处理增强后处理的SLS功能零件用于SLS成形的材料主要是热塑性高分子及其复合材料。直接制造是指通过SLS成形的高分子制件具有较高的强度，可直接用作塑料功能件。典型晶态高分子包括尼龙-12、聚丙烯等。间接制造是指通过SLS成形的高分子制件强度较低，需要浸渗树脂等后处理工艺来提高其力学性能，从而用作强度要求不高的塑料功能件。非晶态高分子包括聚苯乙烯、聚碳酸酯等。6.4.5激光选区烧结典型应用EAMP

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78高分子粉末烧结塑料件EAMP

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79SLS制件EAMP

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80SLS制件EAMP

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814.生物制造SLS技术制备PVA三维正交周期多孔结构四面体支架SLS技术可制备结构、力学性能可控的三维通孔组织支架及个性化的生物植入体，实现对孔隙率、孔型、孔径及外形结构的有效控制，适于对生物高分子进行烧结成形，制造个性化医用植入体和组织工程支架。

适用于SLS技术的生物高分子主要为合成高分子材料，包括左旋聚乳酸（PLLA)、聚己内酯（PCL)、聚醚醚酮（PEEK)、聚乙烯醇（PVA)等，并多与生物活性陶瓷材料，如羟基磷灰石（hydroxyapatite,HAp)）或β-磷酸三钙（β-tricalciumphosphate），以获得良好的生物活性。6.4.5激光选区烧结典型应用EAMP

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826.4.6激光选区熔化技术发展历史1995年德国Fraunhofer激光技术研究所深入的探索了激光完全熔化金属粉末的成形;首次提出了SLM（SelectiveLaserMelting）技术；德国EOS公司制造了第一台设备；2000年光纤激光器成熟的制造并引入SLM设备中；2003年英国MCP集团管辖的德国MCP-HEK分公司Realizer推出SLM-50;世界上第一台应用光纤激光器的SLM设备;国内：华中科技大学、华南理工大学、西北工业大学和北京航空制造研究所等。EAMP

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836.4.7激光选区熔化工艺原理激光选区熔化成形基本原理示意图EAMP

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846.4.8激光选区熔化系统构成及功能成型腔：工作台、送铺粉机构、气体净化系统激光器：光纤激光（单模）、波长1060nm，激光光斑10-50微米，功率100-1000W光路传输系统：扩束镜、振镜、聚焦系统、保护镜控制系统、软件系统EAMP

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856.4.9激光选区熔化成形设备电气控制EAMP

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86德国E