在增材制造中，烧结是一种热工艺，它将粉末材料粘合在一起，逐层形成一个固体物体。它通过在低于材料熔点的温度下施加热量来实现这一点，使单个颗粒在原子水平上结合，而无需变成液体。
需要理解的关键区别在于，烧结不是熔化。它是一个固态过程，将颗粒粘合在一起，就像紧紧地将雪球堆积起来直到它们形成一个冰块，这与将粉末完全熔化成液池的过程有着根本的不同。
烧结的基本工作原理
烧结是一个历史悠久的制造原理，传统上用于陶瓷和粉末冶金，现已被应用于现代 3D 打印。它的有效性依赖于一个简单而强大的物理转变。
核心原理：无熔化的加热
烧结的定义特征是精确地施加能量——通常来自激光或电子束——将材料加热到其原子变得高度活跃的点。
该温度保持在材料的完全熔点正下方。这可以防止材料液化，从而避免了熔化过程中的高热应力和需要大量支撑结构等问题。
原子层面：颗粒扩散
在该高温下，每个粉末颗粒表面的原子开始快速振动和移动。
这种活动使得原子跨越相邻颗粒的边界扩散。这种原子迁移有效地在颗粒之间构建“颈部”或桥梁，将它们熔合在一起形成一个单一的、内聚的整体。
结果：从粉末到固体整体
当能源根据数字设计扫描粉末床时，它会留下熔合的固体材料的痕迹。这个过程，也称为固结，逐层重复，直到最终的三维物体完成，周围是通常可以回收的未烧结粉末。
烧结在增材制造中的作用
虽然原理是通用的，但其应用在粉末床熔融技术中最为突出。这些工艺利用烧结直接从数字文件创建复杂的部件。
选择性激光烧结（SLS）解释
选择性激光烧结（SLS）是最常见的基于烧结的增材制造技术。在 SLS 机器中，一层薄薄的聚合物粉末（如尼龙）被铺展在构建平台上。
然后，高功率的二氧化碳激光选择性地扫描该层零件的横截面。激光的能量将粉末加热到足以将颗粒烧结在一起的程度。然后平台下降，应用新的一层粉末，过程重复。
金属增材制造中的烧结
烧结对于某些形式的金属 3D 打印也至关重要。在金属粘结剂喷射等工艺中，首先使用液体粘合剂将金属粉末颗粒“粘合”在一起，形成一个脆弱的“生坯件”。
然后将该生坯件从打印机中取出，放入高温炉中。在炉中，零件经过二次烧结过程，该过程会烧掉粘合剂并将金属颗粒熔合形成一个致密的固体部件。
理解权衡：烧结与熔化
在选择使用烧结的增材制造工艺还是使用熔化（如选择性激光熔化，或 SLM）的工艺时，需要根据最终目标进行明确的权衡。
对零件性能的影响
由于烧结不会使材料完全液化，因此所得零件本质上会略微多孔。虽然这种孔隙率通常很小，对于许多应用来说是可以接受的，但完全熔化粉末通常会产生更致密、更坚固的零件。
烧结方法的优势
烧结在构建过程中所需的能量输入较少，对零件产生的热应力也较低。SLS 的一个主要优势是周围未烧结的粉末充当天然支撑结构，无需专用支撑即可创建复杂的几何形状和互锁部件。
后处理考虑因素
通过熔化制造的零件通常需要大量的应力消除热处理。基于烧结的工艺可能有不同的要求。例如，金属粘结剂喷射的零件需要进行炉内烧结步骤才能达到最终性能，使其成为工作流程中不可或缺的一部分。
根据目标做出正确的选择
选择粉末床技术完全取决于您项目的特定材料、性能和几何要求。
- 如果您的主要重点是聚合物的快速原型制作或复杂几何形状： SLS 是一个绝佳的选择，因为它具有速度快、设计自由度高和自支撑的特性。
- 如果您的主要重点是金属零件的最大密度和机械性能： 尽管复杂性和成本较高，但像 SLM 或 DMLS 这样的熔化工艺可能更合适。
- 如果您的主要重点是金属零件的成本效益批量生产： 金属粘结剂喷射，然后进行炉内烧结步骤，可以提供细节和可扩展性的引人注目的平衡。
最终，了解烧结能让您超越营销术语，根据粉末床增材制造技术的核心物理原理及其与您的工程目标的一致性来评估它们。
摘要表：
| 方面 | 基于烧结的增材制造（例如 SLS） | 基于熔化的增材制造（例如 SLM） |
|---|---|---|
| 工艺原理 | 在熔点以下熔合颗粒 | 将粉末完全熔化成液池 |
| 典型孔隙率 | 轻微多孔 | 接近完全致密 |
| 支撑结构 | 未烧结粉末充当支撑 | 需要专用的支撑结构 |
| 最适合 | 复杂几何形状、快速原型制作 | 高强度、致密的金属零件 |
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