粉末一致性對3D打印的意義

來源： 增材制造技術前沿

金屬打印能夠應用到汽車、航空航天、能源、工業(yè)以及醫(yī)療領域，無論哪一個行業(yè)都難以承擔零件質(zhì)量問題所帶來的損害。3D打印零件質(zhì)量所涉及的關鍵技術一是工藝，二是材料，本期話題以SLM技術為例細數(shù)粉末材料一致性對金屬打印的意義。

金屬粉末霧化工藝的突破促進了SLM技術的發(fā)展，而粉末材料質(zhì)量的提升則直接推動了金屬打印零件的應用。目前SLM常用的粉末粒度范圍為15-53μm，要求粉末具備良好的球形度、流動性以及低氧含量，然而由于霧化工藝困難，粉末質(zhì)量存在很大問題。

1. 球形度問題
金屬粉末制備過程中，粉末顆粒會隨著制備方法的不同而呈現(xiàn)不同形狀，如球形、近球形、多角形等。粉末顆粒形狀直接影響粉末流動性和松裝密度，進而對所打印件的性能產(chǎn)生影響。

金屬打印粉末形態(tài)差異

一般來說，球形或者近球形粉末具有良好的流動性，能鋪成薄層，進而提高零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，零件也能獲得高密度和均勻性組織，是作為 3D 打印的首選原料形狀類型。但是要注意，球形粉末的顆粒堆積密度小，空隙大，使得零件的致密度小，也會影響成形質(zhì)量。

2. 空心粉與衛(wèi)星粉問題
空心粉和衛(wèi)星粉對材料品質(zhì)是一大挑戰(zhàn)，此二者的存在會導致成型零件中殘留氣孔，甚至經(jīng)熱等靜壓后此類孔洞也難以消除，對零件力學性能特別是疲勞性能帶來嚴重影響；空心粉導致的空氣夾帶，則會直接影響材料成分和打印的穩(wěn)定性。

3. 粉末粒度分布問題
SLM用金屬粉末15-53μm的顆粒大小指標雖容易達到，但粉末粒度分布卻同樣會對零件的表面質(zhì)量和力學性能帶來影響。據(jù)研究，同樣的粒度范圍內(nèi)，以具有雙峰分布的金屬粉末為原料制得的零件致密度最高。

4. 材料循環(huán)使用問題

金屬打印過程中未熔化的粉末仍然可以作為原料繼續(xù)使用，但經(jīng)過長時間的高溫成型過程，粉末床中的粉末氧含量會有一定程度的增加，這對于EBM來說影響更大。隨著使用次數(shù)增加，粉末成分、粒度分布、顆粒表面形貌都會發(fā)生變化。但目前的研究發(fā)現(xiàn)，SLM 成形試樣的顯微組織及力學性能與粉末循環(huán)次數(shù)無明顯關聯(lián)，而EBM成形試樣力學性能則與粉末循環(huán)次數(shù)形成明顯關系。針對于此點，仍需要深入研究。

除卻上述問題，金屬粉末材料還面臨著成分均勻、氧含量問題等。

3D打印用金屬粉末的制備技術的發(fā)展制約著3D打印金屬零件行業(yè)的發(fā)展，近年來，在金屬3D打印技術迅猛發(fā)展的背景下，金屬粉末制造巨頭紛紛加強了3D打印專用球形粉末產(chǎn)品的開發(fā)力度，針對于某一產(chǎn)品開發(fā)專用材料，一系列針對具體領域和具體零部件使用的粉末開始面世，這在加劇競爭的同時，也有利于促進金屬3D打印的安全應用。