粉末一致性对3D打印的意义

来源： 增材制造技术前沿

金属打印能够应用到汽车、航空航天、能源、工业以及医疗领域，无论哪一个行业都难以承担零件质量问题所带来的损害。3D打印零件质量所涉及的关键技术一是工艺，二是材料，本期话题以SLM技术为例细数粉末材料一致性对金属打印的意义。

金属粉末雾化工艺的突破促进了SLM技术的发展，而粉末材料质量的提升则直接推动了金属打印零件的应用。目前SLM常用的粉末粒度范围为15-53μm，要求粉末具备良好的球形度、流动性以及低氧含量，然而由于雾化工艺困难，粉末质量存在很大问题。

1. 球形度问题
金属粉末制备过程中，粉末颗粒会随着制备方法的不同而呈现不同形状，如球形、近球形、多角形等。粉末颗粒形状直接影响粉末流动性和松装密度，进而对所打印件的性能产生影响。

金属打印粉末形态差异

一般来说，球形或者近球形粉末具有良好的流动性，能铺成薄层，进而提高零件的尺寸精度和表面质量，零件也能获得高密度和均匀性组织，是作为 3D 打印的首选原料形状类型。但是要注意，球形粉末的颗粒堆积密度小，空隙大，使得零件的致密度小，也会影响成形质量。

2. 空心粉与卫星粉问题
空心粉和卫星粉对材料品质是一大挑战，此二者的存在会导致成型零件中残留气孔，甚至经热等静压后此类孔洞也难以消除，对零件力学性能特别是疲劳性能带来严重影响；空心粉导致的空气夹带，则会直接影响材料成分和打印的稳定性。

3. 粉末粒度分布问题
SLM用金属粉末15-53μm的颗粒大小指标虽容易达到，但粉末粒度分布却同样会对零件的表面质量和力学性能带来影响。据研究，同样的粒度范围内，以具有双峰分布的金属粉末为原料制得的零件致密度最高。

4. 材料循环使用问题

金属打印过程中未熔化的粉末仍然可以作为原料继续使用，但经过长时间的高温成型过程，粉末床中的粉末氧含量会有一定程度的增加，这对于EBM来说影响更大。随着使用次数增加，粉末成分、粒度分布、颗粒表面形貌都会发生变化。但目前的研究发现，SLM 成形试样的显微组织及力学性能与粉末循环次数无明显关联，而EBM成形试样力学性能则与粉末循环次数形成明显关系。针对于此点，仍需要深入研究。

除却上述问题，金属粉末材料还面临着成分均匀、氧含量问题等。

3D打印用金属粉末的制备技术的发展制约着3D打印金属零件行业的发展，近年来，在金属3D打印技术迅猛发展的背景下，金属粉末制造巨头纷纷加强了3D打印专用球形粉末产品的开发力度，针对于某一产品开发专用材料，一系列针对具体领域和具体零部件使用的粉末开始面世，这在加剧竞争的同时，也有利于促进金属3D打印的安全应用。