从专利角度简析金属材料选择性激光烧结技术（SLS）的发展

田科

国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心

选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering,SLS）技术是快速成型与制造（RapidPrototyping&Manufacturing,RP&M）领域中极具发展潜力的技术之一。SLS技术借助于计算机辅助设计与制造，采用分层制造叠加原理，将固体粉末材料直接成型为三维实体零件。它能够制造任意复杂结构零件，具有其它常规制造技术不可替代的优势。由于金属零件应用领域广且价值高，因而利用SLS技术制造金属零件一直是RP&M领域的研究热点。

关键词：快速成型，增材制造，3D打印，选择性激光烧结，SLS，金属

1.引言

1.1快速成形技术的概述与发展

快速成形技术（RapidPrototyping&Manufacturing，简称RPM）诞生于70年代末、80年代初。该技术是采用逐点或逐层成形方法，一次成形复杂的零部件或模具，不需要任何工装，节约了制造费用，缩短了制造周期，实现了三维制造及其可视化，有利于设计人员、制造人员和用户间的信息交流。可在设计阶段完成实验研究工作，减少实验周期和材料损耗，堪称制造领域人类思维的一次飞跃。

快速成形技术采用离散/堆积的原理，自动完成从数学模型（CAD模型）到物理模型（原型和零件）的转换。在成形的过程中，根据成形方法的不同，可以采用多种不同的材料（如塑料、数值、蜡、陶瓷、金属的等）制造原型。

根据材料种类可以将快速成型技术分为以下几类：立体光造型（SLA）、叠层制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积制造（FDM）、三维印刷（3DP）。

1.2金属材料选择性激光烧结技术

目前，国内外已开发出多种SLS成形材料，按材料性质主要可分为金属粉末材料、陶瓷粉末材料和高分子粉末材料。

金属材料的选择性激光烧结分为直接烧结法和间接烧结法。直接烧结法是利用大功率激光直接烧结金属粉末得到成形零件，间接烧结法是在金属粉末中添加有机粘结剂使其熔化后粘结金属粉末，再经过后续处理得到成形零件。

直接烧结法中使用的金属粉末材料主要有单组分金属粉末、多组分金属粉末和预合金粉末3类。

间接烧结法中有机粘结剂的加入有两种方式，一种是与金属粉末混合，一种是包覆在金属粉末表面。间接法通过用小功率小50W）激光烧结粉末得到形坯，形坯再经适当的后续处，一般为脱脂、高温烧、熔渗金属或浸渍树脂，最终获得具有一定强度的金属零件。

2.选择性激光烧结技术全球专利申请总体分析

2.1专利发展趋势

选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering,SLS）技术是快速原型与制造（RapidPrototyping&Manufacturing,RP&M）技术中的一种，通常被称为分层制造（LayeredManufacturing）或增材（Additive）制造技术，尤其区别于普通机加工类的减材（Subtractive）制造技术。如图1所示，对历年来选择性激光烧结技术领域的全球及国内相关专利申请随年份的变化趋势进行了梳理。SLS技术出现在1986年的美国，由研究生CarlDecard[1,2]和Beaman发明，并于1992年由美国DTM公司把SLS[3,4]系统商业化。随后，日本，德国，俄罗斯，中国和以色列都各自开发研制了SLS系统，但美国依其原创专利而处于较为领先的地位。SLS技术最大的优点在于能够突破传统技术难以完成的复杂结构零件的制造。目前，各国都认为采用SLS技术可以明显地降低特殊结构零件的制造成本，同时提高效率，增强企业竞争力。正是因为SLS技术可以突破复杂结构零件的制造，2000年以后，各国对SLS的技术研发投入了大量的财力和物力，同时取得一些技术成果，从图1可以得到，在2000年以后全球的选择性激光烧结技术的专利申请量激剧增加。

2.2申请人区域分布

全球主要国家和地区关于选择性激光烧结技术的专利申请量分布如图2所示。从图2中可以看出，中国申请量遥遥领先，这与基础制造业的快速发展是分不开的，2000之后，中国在辗扩领域的申请量急剧增加，中国的专利申请量虽然大，但是与其他工业强国相比，在选择性激光烧结技术领域的起步明显比较晚，这也反映了中国的选择性激光烧结技术是在引进、消化、吸收国外技术的基础上发展起来的，在2000之后受到了极大的重视。专利申请量紧随其后的是欧盟、美国、德国和日本。日本、德国的专利申请量遥遥领先得益于其强大的机械制造业实力。申请量比较靠前的国外国家之中，美国的申请最早，同时申请量较大，而且自出现了第一个专利申请之后，申请量一直比较均衡稳定。总体来说，日本、美国、德国的申请总量发展都比较均衡。

3.金属材料选择性激光烧结技术的发展

选择性激光烧结是快速原型制造技术的一个重要组成部分，它以激光作为热源，通过将零件的三维CAD模型进行分层切片处理，获得每一层的截面轮廓信息后，再由计算机控制激光束对每一层截面进行扫描烧结，经过逐层叠加，最终得到三维功能零件或产品。SLS的突出优点在于成形材料的种类非常广泛。从理

论上讲，任何能够吸收激光能量而粘度降低的粉末材料都可以用于SLS，但开发性能优异的粉末材料仍然是SLS技术发展中的关键环节之一。激光烧结所用的原材料对烧结件的力学性能、化学性能、精度及其成形速度起着决定性作用，直

接影响到烧结件的应用以及SLS技术相比其他快速成形技术的竞争力。目前，国内外已开发出多种SLS成形材料，由于金属零件应用领域广且价值高，因而利用SLS技术制造金属零件一直是RP&M领域的研究热点。

图3中显示的是金属原料选择性激光烧结技术全球及国内专利申请随年份变化趋势。SLS最初只能用于塑料粉和蜡粉的成形，20世纪90年代初，从事SLS技术开发的德国EOS公司通过与芬兰RapidProductInnovations公司合作，研制出可用于SLS成形的烧结不收缩铜粉和不锈钢粉，从而将SLS技术拓展到了金属材料成形领域。直接用金属粉末烧结成形三维零件是SLS技术发展的目标之一，也是快速成形制造最终的目标之一。国内外科研人员在这方面进行了大量的工作，并初步取得了一些成果，且在某些高科技领域得到了一定范围的

应用。早在1995年前后在美国就有相关申请出现，国外申请人该领域的研究从2008年前后激增。国内关于此技术的研究始于2008年前后，在2012年左右申请量开始激增，可以看出国内申请人对于该技术分支的研究相对于国际来说存在一定的滞后。

选择性激光烧结金属原料技术的国内外专利申请重要申请人如图4所示。就选择性激光烧结金属原料这个分支而言，专利申请重要申请人与选择性激光烧结技术的重要申请人基本相同。前12名中有5名来自中国，这一现象可以看出中国在该分支的研究发展十分快速。

4.总结

本文分析了金属材料选择性激光烧结技术在国内外的专利申请趋势，跟踪了重要申请人的专利申请。国内对该技术的研究较多，但是国内对该技术的研究相对于国际来说存在一定的滞后，我们国内高校企业应该加大研发力度，尽快追上全球的最新技术，掌握该领域的核心技术，获得更多自主知识产权。

参考文献

[1]N.P.Karapatis,VanGriethuysenJ.-P.S.,Glardon,R..DirectRapidTooling：AReviewofCurrentResearch.RapidPrototypingJournal.RapidPrototypingJournal,1998,4(2):77~89

[2]Nelson，JamesChristian.Selectivelasersintering:Adefinitionoftheprocessandanempiricalsinteringmodel:Ph.D.dissertation，TheUniversityofTexasatAustin,1993.

[3]http://www.dtm-corp.com

[4]SteveUpcraftandRichardFletcher.Therapidprototypingtechnologies，AssemblyAutomation;2003;23（4）：318-330