隨著聚合物的合成和特性不斷發展與優化，聚合物材料的應用領域已經遍布日常生活、工業、國防、航空。聚合物相比于金屬材料具備易加工成型的顯著優勢，然而隨著應用環境的不斷變化對聚合物的加工提出了新的挑戰，使得傳統注射成型為代表的加工技術難以滿足應用需求。選擇性激光燒結 (SLS) 是一種非常重要的自下而上的增材制造 (AM) 技術，它使用激光作為熱源來燒結粉末材料，通過激光逐層自動掃描三維設計模型，將粉末材料連接成堅固的固體結構。該方法兼顧其他增材制造方法優點的同時，還具備增材過程粉末床形成自支撐、打印零件強度和剛度高、打印的多種聚合物材料生物相容性優異等特點。聚合物的選擇性燒結零件早期常用于設計周期初期的原型零件，例如熔模鑄造模型、汽車硬件和風洞模型。近年，借助增材制造技術打印各種復雜零部件的靈活性特點，SLS聚合物零件也越來越多地用于小批量制造，并用于航空航天、軍事、醫療、制藥和電子元件等領域。

       近期，復旦大學光科學與工程系、上海超精密光學制造工程技術研究中心的韓偉青年研究員、孔令豹研究員、徐敏教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《聚合物選擇性激光燒結研究進展》的綜述，系統介紹了聚合物選擇性激光燒結的基礎理論研究、最新進展及未來展望。

 亮點

介紹了選擇性激光燒結聚合物的基礎理論。

討論了工藝參數對聚合物燒結過程的影響，及常用聚合物燒結研究進展。

探討了選擇性激光燒結聚合物的最新應用研究， 并對研究方向做了總結展望。

圖1 (a) SLS過程示意圖；(b) 兩聚合物顆粒的燒結模型；(c) 增材制造的聚合物踝足矯形器；(d) 選擇性激光燒結雙成分微型藥片劑。(b) 經許可轉載，版權所有2014 Elsevier B.V.。(c) 經許可轉載，版權所有2016 Elsevier B.V.。(d) 經許可轉載，版權所有2019 by the authors。

圖1展示了選擇性激光燒結過程示意圖、兩聚合物顆粒的燒結模型，同時展示了選擇性燒結聚合物樣品在醫療和制藥領域的重要應用。

 研究背景

聚合物材料具有獨特的化學和物理特性，包括重量輕、可制造性好，并且通常具有彈性，已經成為我們生活中必不可少的一部分。增材制造(AM)也稱為快速成型制作或3D打印，是基于3D模型數據連接材料獲取零件的過程，通常采用逐層連接方式。聚合物可以通過多種成熟的增材制造方法進行處理，例如 Stereolithography (SLA), Fused deposition moulding (FDM), Laminated object manufacturing (LOM), 和Selective laser sintering (SLS)，以及其他仍處在研究階段的增材制造新方法。每種方法都有其獨特的優缺點，AM方法的選擇主要取決于加工材料、精度要求、成本等。例如，FDM可以加工多種材料，零件強度好、成本低；然而，FDM零件的機械性能呈各向異性。SLS能夠打印具有復雜幾何結構的聚合物和復合材料零件，并且無需像眾多其他增材方法一樣使用支撐，因此SLS在終端產品制備能力方面顯示出獨特的優勢，使SLS成為其他眾多增材制造方法的有效替代方法。SLS零件具有高強度、剛度和耐化學性；該方法甚至可以用于藥品打印，因為該過程不使用任何溶劑。本文將結合作者在增材制造方面的研究經驗，重點關注聚合物的SLS研究基礎理論與最新進展。介紹SLS聚合物最新研究進展的同時，探討了激光燒結機制的基本理論、工藝參數對SLS零件的影響，以及重要SLS聚合物材料燒結研究進展。此外，考慮到SLS技術的快速應用發展，還將介紹SLS聚合物零件的最新應用研究。最后，總結本文主要結論，并根據現有研究概況對未來研究方向進行展望。

 基礎理論

聚合物粒子燒結模型：對于SLS過程聚合物的結合機理，主要采用Frenkel燒結模型進行描述。該模型認為聚合物在SLS的結合過程可以用兩個相鄰粒子的燒結來表示，結合圖2(a)該燒結理論采用Frenkel-Eshelby模型描述。

y(t)是粉末頸部的半徑(m)，a(t)是粉末顆粒的半徑，它們是燒結時間的函數。σ為表面張力（N·m-1），t為燒結時間，η0為低剪切速率下熔體的牛頓粘度（Pa·s）。由于Frenkel-Eshelby模型基于表面自由能，并且假設粒子半徑a為常數，因此該模型主要適用于初始燒結階段。

圖2 (a) 基于Frenkel-Eshelby粘性模型的聚合物燒結機理；(b) 具有“燒結窗口”特性的SLS用PA12粉末DSC熱譜圖；(c)激光能量密度對燒結工藝影響示意圖。(a) 經許可轉載，版權所有2014 Elsevier B.V.。(b) 經許可轉載，版權所有2016 The Author(s)。(c) 經許可轉載，版權所有2009 Wiley Periodicals, Inc.。

聚合物燒結溫度控制：半結晶聚合物通常用作SLS粉末，圖2(b)展示了典型半結晶聚合物PA12 粉末材料DSC（差示掃描量熱法）的熱譜圖，具備明顯的“燒結窗口”特性。在燒結過程中應盡可能長時間抑制粉末的結晶，以減少翹曲和收縮。結晶過程發生在起始結晶溫度Tc.onset、峰值結晶溫度Tc,peak和偏移結晶溫Tc,offset描述的溫度范圍內。聚合物將在低于Tc.onset的溫度下快速結晶，從而導致SLS零件卷曲和翹曲。因此，粉末床溫度需要高于起始結晶溫度 Tc.onset。此外，粉末床溫度也應低于熔點Tm，以免粉末粘連。因此，粉末床溫應精確控制在Tc和Tm之間。這個亞穩態熱力學區域被稱為 SLS 過程的“燒結窗口”。

燒結過程參數控制：聚合物燒結過程與激光能量密度密切相關。圖2(c)展示了取決于激光能量密度的不同燒結工藝示意圖。優化激光能量密度后的理想化燒結情況，激光只燒結頂部的新粉末層并將其與相鄰層粘合，打印的零件具有高密度和良好的機械性能。在能量密度低的情況下，由于層間的粘合強度差，容易發生分層，使零件耐用性降低。然而，激光能量密度過大易發生翹曲。SLS零件由于翹曲而變形，甚至可以阻止新粉末層的鋪設，使SLS過程失敗。在高激光能量密度和過快的掃描速度情況下容易發生球化缺陷，在熔融粉末附近阻斷燒結。

 最新進展

聚合物打印新方法：Multi-jet fusion (MJF)是Hewlett-Packard (HP) Inc公司發明的聚合物快速增材制造新方法，于2014年首次公布。SLS使用激光加熱聚合物粉末，但MJF使用紅外燈加熱打印區域的粉末，配合助熔劑處理。助熔劑使被照射區域能夠吸收噴墨噴嘴產生的紅外輻射能量；同時，沿打印件輪廓提供水性細化劑，可阻止輪廓附近的粉末熔化，從而提高打印精度，如圖3(a)所示。細化劑也可以應用于設計零件內的特定區域，改善打印區域的熱分布。

圖3 (a) 聚合物MJF打印流程示意圖；(b) 增材制造的聚合物踝足矯形器；(c) SLS打印的不同成分和結構藥片。(d) SLS打印的顱內植入物。(a) 經許可轉載，版權所有2020 Elsevier B.V.。(b) 經許可轉載，版權所有2016 Elsevier B.V.。(c) 經許可轉載，版權所有2017 Elsevier B.V.和2018 Elsevier B.V.。(d) 經許可轉載，版權所有2011 Elsevier Ltd.。

聚合物打印最新應用：基于計算機輔助設計和計算機輔助制造 (CAD/CAM) 的增材制造方法已被應用于足矯形器制造，如圖3(b)所示。驗證了基于SLS的增材制造方法，可直接從掃描的圖像數據為特定患者定制踝足矯形器。基于SLS的制造方法相比于傳統工藝，具備“設計自由”的顯著優勢，而且不受限于復雜幾何形狀。此外，圖3(c)表明SLS是一種適用于藥用級輔料制備載藥口服劑型的增材制造技術。SLS可以通過選擇適當的過程參數來定制設計藥物結構的內部晶格密度、單元尺寸、幾何形狀和尺寸，從而調整藥物在人體內的釋放和吸收速率。近年來，不需要解剖模型的定制人體植入物制造受到越來越多關注，特定患者顱內植入物的定制設計更是具備廣闊應用前景。圖3(d)展示了顱骨植入物設計模型和基于患者顱骨缺損CT掃描的SLS PEEK顱骨植入物。在小區域和整個植入物水平進行機械表征時可觀察到等效結果，表明SLS制造的定制顱骨植入物具有較高的精度。

 未來展望

盡管SLS方法自1980年代中期被提出并受到了長期的關注和研究，但在基礎理論和工業應用方面仍然存在許多挑戰。未來研究主要包括以下幾個方面：

(1)由于聚合物分子結構復雜，激光燒結模式多樣，基本粒子燒結機制需進一步明確。當使用基于聚合物的復合材料以實現更好的零件性能時，粉末粒子燒結機制變得更加復雜。

(2) SLS聚合物的可用類型有限，阻礙了有效的工業應用，特別是當SLS部件用于生物醫學、制藥和化學領域時。多行業領域對開發新SLS材料（包括新的粉末生產方法）的需求迫在眉睫。

(3) SLS的低打印速度極大地限制了SLS零件的工業應用，仍需開發一些高速增材制造新方法。SLS過程前后的加熱和冷卻耗時過長，可通過開發新型高速燒結方法或合適的聚合物材料來進一步提高打印速度。

(4) SLS零件的表面粗糙度受限粉末尺度較大，優化SLS參數降低表面粗糙度效果有限，增材零件后處理研究不可或缺，在不改變其結構精度的情況下，很難對一些微結構表面和復雜的3D結構進行后處理。

(5) SLS聚合物模擬是一個復雜的多學科過程，關于SLS聚合物數值模擬的研究報道較少，需要更多SLS聚合物燒結模擬研究來優化增材過程和預測增材缺陷，例如多孔結構和翹曲。

論文引用信息：

Han W, Kong L B, Xu M. Advances in selective laser sintering of polymers. Int. J. Extrem. Manuf. 4 042002(2022).https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac9096

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