大家好，我是 Niko Mroncz，Xometry 擇幂科技銷售工程總監。自 2010 年起，我一直從事 3D 打印領域工作，而 SLS 始終是我的首選技術。這得益於其廣泛的適用性、PA12 材料的優異性能，以及極高的性價比。本文將分享關鍵技巧，助您設計出更堅固、精準且適合 SLS 3D 打印的零件。
選擇性激光燒結（SLS）是一種基於粉末的 3D 打印工藝，無需支撐結構即可製造複雜的高強度零件。因此，它成為功能性原型和終端應用產品的理想選擇。SLS 可實現卓越的機械性能，尤其在使用如 PA12、PA11 或增強複合材料（例如 PA12 玻璃填充）時更是如此。
與其他 3D 打印技術（如熔融沉積成型 FDM）相比，SLS 技術具有更高的設計自由度、更優的表面質量和各向同性的機械性能。此外，由於可在構建艙內嵌套排列多個零件，SLS 尤其適合批量生產。不過，使用 SLS 技術進行設計時需格外謹慎，以避免出現熱變形、粉末殘留或結構強度不足等問題。
若想獲得高品質的 SLS 零部件，卓越的設計是關鍵。許多常見問題——如翹曲變形、薄壁結構強度不足或難以脫粉等——往往源於零件設計方式。其中一個最重要的考量是避免大面積平面設計，這類結構極易發生翹曲變形。若必須使用平面結構，可以透過增加加強筋來提供支撐，但這並不能完全消除風險。牢記這些設計要素，您將能有效提升打印品質和部件性能。以下是一些關鍵性的 SLS 設計技巧，助您獲得更優質的打印效果。
1 保證適當的壁厚度
壁厚在 SLS 零件的結構完整性、精度和可製造性中起著關鍵作用。若壁厚過薄，可能會因材料支撐不足和燒結過程中的熱應力導致翹曲、開裂或脆化。
壁厚小於 0.5mm 時問題尤其突出，因為雷射產生的熱量會使薄壁區域過度增厚，導致意外的尺寸偏差。薄壁結構在後處理（如噴砂處理）過程中也容易變得脆弱。
另一方面，過厚的壁可能使熱量滯留時間過長，導致內部應力、翹曲和收縮。這可能導致零件尺寸精度不佳或表面缺陷。厚壁結構還會增加材料成本並延長冷卻時間，進而影響整體生產效率。
經驗法則：
- 設計壁厚至少為 0.7mm（PA12）–2.0mm，具體視材料而定。
- 若提供支撐結構，壁厚可薄至 0.6mm，但為確保可靠性和重複性，建議優先選擇 1.3mm。
- 大多數情況下，壁厚無需超過 4mm，過厚會導致熱量積聚和翹曲。
- 保持壁厚一致以避免翹曲。
- 在薄弱區域添加加強筋或圓角以增強強度。
2 有效粉末清除的設計
由於 SLS 工藝無需支撐結構進行打印，過量的未燒結粉末會殘留在中空部件、內部通道及空腔結構中。若未進行合理清理，被滯留的粉末會增加部件重量，影響機械性能，並使後處理工序複雜化。殘留在零件內部的粉末可能干擾運動組件的運行或功能性結構特徵，使得優化粉末排出通道的設計變得尤為關鍵。
為降低重量及材料消耗，可將零件設計為中空結構而非實心體。然而這類中空結構必須設置排屑孔以促進殘留粉末的排出。若開口數量不足，粉末可能在內部壓實結塊，造成難以甚至無法徹底清除的問題。
此外，足夠大的排屑孔便於採用介質滾磨等後處理技術，可對中空零件的內表面進行拋光處理。
經驗法則：
- 最小排屑孔徑：3.5mm。直徑越大越好！
- 在邊緣或相對側設置多個排屑孔，確保有效清除粉末。
- 確保內部通道光滑，防止粉末堆積。
3 優化孔洞與通道幾何結構
SLS技術能製造複雜內部通道和孔洞，但不當設計會導致收縮、變形或堵塞。圓形孔洞可能在燒結時收縮，通道方向不當會導致粉末殘留或精度損失。
SLS的收縮率高達3%-4%，相較其他工藝更高。建議將孔洞設計為標準鑽頭尺寸，必要時可透過機械鉸孔修正以提高精度。
若需在通道內集成連接點（如進氣口），應設計流線型水滴狀空氣動力學支撐結構。這能在保障連接強度的同時最大限度減少氣流阻礙。
經驗法則：
- 最小孔徑：1.5mm。
- 採用淚滴形或菱形孔代替圓形孔。
- 盡可能採用垂直方向開孔以保證精度。
4 確保配合部件留有適當間隙
活動或互鎖部件需要精確的間隙才能正常運作。若間隙過小，燒結過程中部件可能熔結在一起，導致功能失效。
相反地，若間隙過大，則會導致裝配鬆動、契合不當，降低機械穩定性。
SLS工藝優勢之一在於，其可在同一次構建中直接打印相互配合及活動的部件，省去單獨打印和人工組裝的步驟，從而實現單一製造週期內產出完整功能組件的特性。然而，為確保打印後的組件不會燒結成一個整體，必須通過合理間隙設置使多餘粉末完全清除。
經驗法則：
- 配合部件間隙：0.5mm（最小）。
- 壓配結構特徵：0.3mm間隙（適用於緊密配合）。
- 鉸接/連接部件：0.6mm間隙以避免粘連。
5 避免大懸垂和無支撐跨距
儘管SLS技術不需要支撐結構，但過長的懸垂或未支撐跨距可能因重力和殘餘熱量影響而下垂、變形或表面粗糙。
為提高打印質量並保持尺寸精度，設計應優先採用漸變過渡的自支撐幾何結構，而非突然的懸垂。拱形、穹頂或傾斜表面（通常與構建平台成45°或更小角度）等結構特徵能更有效地分散應力，降低下垂風險。
經驗法則：
- 懸垂角度保持在45°以下以獲得最佳效果。
- 設計類似倒角和圓角的自支撐幾何體結構。採用30°或以下的角度，並在拐角處添加圓角或倒角。
- 將無支撐的橋接跨度限制在2mm以保證結構穩定性和表面質量。
6 為小細節選用正確的特徵尺寸
像浮雕文字、徽標和表面紋理等精細細節，若尺寸過小可能導致模糊或無法辨認。確保合適的特徵尺寸可提升可見度，並在打印後保持清晰的細節表現。
在SLS工藝中，細節可以透過直接雕刻或浮雕方式呈現在零件上，最小深度或高度需達到1mm。此深度對於後處理尤為重要，因為小於1mm的雕刻或浮雕在介質滾磨或其他表面處理過程中可能被磨損。文字也可直接打印在SLS零件上，但為了最佳可讀性，字母高度至少應為2mm。
此外，為文字添加微小拔模角度可進一步提升耐久性，確保精細特徵（如小寫字母“i”上的圓點）能承受後處理及日常使用。
經驗法則：
- 浮雕文字高度（字號）或雕刻深度：1mm。
- 保證可讀性的最小字號：2mm。
- 推薦使用無襯線字體以優化可讀性。
7 加固細長結構特徵
細長且無支撐的結構特徵（如細針、薄壁和精細細節）在熱應力下容易斷裂或變形。高溫打印與冷卻收縮的共同作用會削弱這類特徵，導致彎曲或變脆，尤其在後處理或搬運過程中更易受損。加固這些結構可提升耐用性與整體穩定性。
經驗法則：
- 最小針腳直徑：0.8mm（建議1mm或以上）。
- 可添加加強筋或角撐板等支撐結構以加固薄弱特徵，並將其與主體結構相連接。
- 避免設計無額外支撐的高、窄結構。
- 使用漸變性過渡而非截面的突然變化。
- 優化零件在成型艙內的方向，例如將細長特徵平行於構建平台打印，而非直立放置。
8 考慮收縮率和尺寸精度
SLS零件在冷卻過程中可能發生輕微收縮，這會影響精度和公差。這是由於燒結過程的熱特性導致的，材料在冷卻時會收縮。在設計時考慮預期的尺寸變化有助於防止誤差，並確保最終更好的配合效果，特別是對於需要組裝的零件。
如果您自行打印零件，請記住可實現的尺寸精度取決於打印機和零件尺寸。SLS能夠實現高精度，通常特徵尺寸精度可達±0.3%，最低±0.3mm。但公差應僅限於真正需要的區域（如配合面或功能接口）。在整個設計中过度應用公差會增加打印工作量和成本，而不會帶來實際效益。
如果通過Xometry擇冪科技生產零件，我們的製造合作夥伴將在打印過程中處理收縮率和尺寸精度問題。
經驗法則：
- 尺寸公差：±0.3mm
- 在CAD模型中預留預期收縮量（通常3-4%）
- 避免尖銳邊緣以減少熱應力，確保零件更堅固。
SLS技術規格參考指南
下表總結了Xometry擇幂科技針對不同零件特徵的SLS3D設計規格快速參考。所有這些因素在設計高品質打印件時都至關重要。
| 規格 | 詳情 |
| 最大構建體積 | 340x340x605mm。建議：320x320x580mm |
| 最小特徵厚度 | 0.50mm |
| 建議最小壁厚 | 0.50mm（帶支撐），0.60mm（無支撐） |
| 層厚度 | 0.10–1.50mm。當壁厚較高時，~0.1mm，水密零件1.5mm |
| 一般公差 | ±0.3%(±0.3mm) |
此外，足夠大的排屑孔便於採用介質滾磨等後處理技術，可對中空零件的內表面進行拋光處理。
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SLS是製造複雜且高品質零件的寶貴技術。透過預判並理解設計、加工和後處理階段可能遇到的挑戰，您可以大幅提升SLS設計的成功率。
在設計可製造性時，需考慮壁厚等細節因素。在設計階段解決所有可能導致缺陷的因素，避免列印件出現翹曲、裂紋和薄弱點。同時優化設計以減少材料浪費，並為具體應用選擇最合適的材料。這能確保SLS列印的零件堅固耐用且功能完備。
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