中國粉體網(wǎng)訊 3D打印（增材制造）作為區(qū)別于傳統(tǒng)”去除型”加工的新型制造技術(shù)，以其簡(jiǎn)易的制造工藝、較低的生產(chǎn)成本和較短的研發(fā)周期，備受人們關(guān)注。目前，金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)開始從研發(fā)階段逐步向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，金屬粉末的成本及其性能成為制約該產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展的瓶頸之一。
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3D打印對(duì)粉末的要求
金屬粉末是金屬3D打印工藝的原材料，直接用于金屬3D打印技術(shù)各項(xiàng)生產(chǎn)研究，其性能很大程度上決定了最終的成型效果，因此高質(zhì)量的粉末對(duì)于金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。如今廣泛認(rèn)可的對(duì)于金屬粉末性能的基本要求有純凈度高、氧含量低、球形度好、粉末粒徑細(xì)小、粒徑分布窄、具備良好的可塑性和流動(dòng)性及利于循環(huán)利用等特點(diǎn)。
1、粉末純度
在金屬粉末的制備過程中，由于制粉工藝的缺陷，會(huì)帶入一些雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的存在會(huì)改變所制備零件的特性甚至致使打印無法進(jìn)行。金屬粉末的純凈度直接影響到3D打印的成形質(zhì)量。一般來說，粉末中的夾雜物會(huì)提高顆粒硬度，降低粉末成型性能，對(duì)材料韌性造成不良影響。在SLM和EBSM工藝中，若粉末中含有雜質(zhì)，則在燒結(jié)成形過程中雜質(zhì)可能會(huì)與基體金屬粉末發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得3D打印無法進(jìn)行或者改變成型零件的屬性。
因此，粉末中的雜質(zhì)成分和夾雜應(yīng)嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，保證得到高質(zhì)量的零件。
2、粉末顆粒形狀
在金屬粉末制備過程中，粉末顆粒會(huì)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、多孔海綿狀、樹枝狀等。粉末的顆粒形狀直接影響到粉末的流動(dòng)性、松裝密度，進(jìn)而對(duì)所制備金屬零件的性能產(chǎn)生影響。
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一般來說，球形或者近球形粉末具有良好的流動(dòng)性，在打印過程中不易堵塞供粉系統(tǒng)，能鋪成薄層，進(jìn)而提高3D打印零件的尺寸精度、表面質(zhì)量，以及零件的密度和組織均勻性，是作為3D打印的首選原料形狀類型。
3、粉末粒度及其分布
從理論上來講，粉末粒度越小，比表面積越大，進(jìn)而使得燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力增大。因此，粒度小的粉末有利于燒結(jié)的順利進(jìn)行；此外，細(xì)小的粉末顆粒之間空隙小，相鄰兩鋪粉層之間連接緊密，有利于提高燒結(jié)致密化和燒結(jié)強(qiáng)度。細(xì)顆粒填充到大顆粒的空隙中，提高了粉末的堆積密度，以及打印零件的強(qiáng)度和表面質(zhì)量。但是，如果細(xì)顆粒過多，易造成鋪粉厚度不均勻，在燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)“球化”現(xiàn)象。
研究發(fā)現(xiàn)，在激光凈成型技術(shù)中，粉末粒徑過大時(shí)，噴嘴處粉末輸送流的發(fā)散角顯著增大，反彈飛濺嚴(yán)重，且粉末利用率降低；此外，粒徑過小的超細(xì)粉由于直徑太小，粉末容易團(tuán)聚，導(dǎo)致輸送性能差，影響3D打印的持續(xù)進(jìn)行。大量實(shí)驗(yàn)表明，粗細(xì)粉末顆粒以恰當(dāng)?shù)呐浔然旌�，才能得到良好�?D打印效果
4、粉末的循環(huán)使用
在現(xiàn)有3D打印用粉末制備技術(shù)水平下，微細(xì)粉的制備成本較高，其價(jià)格約是傳統(tǒng)粉末冶金用粉的10倍。因此，從節(jié)約原材料、降低生產(chǎn)成本的角度來說，粉末循環(huán)使用的研究具有重要的意義。
5、粉末的工藝性能要求
粉末的工藝性能主要包括松裝密度、振實(shí)密度、流動(dòng)性和循環(huán)利用性能。
松裝密度是粉末自然堆積時(shí)的密度，振實(shí)密度是經(jīng)過振動(dòng)后的密度。球形度好、粒度分布寬的粉末松裝密度高，孔隙率低，成形后的零件致密度高，成形質(zhì)量好。
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粉末的流動(dòng)性是粉末的關(guān)鍵性能之一，粉末的流動(dòng)性直接影響SLM過程中鋪粉的均勻性和LENS過程中送粉的穩(wěn)定性。粉末流動(dòng)性太差，在混合時(shí)容易粘附、抱團(tuán)，無法將其混合均勻，容易造成粉層厚度不均，掃描區(qū)域內(nèi)各部位的金屬熔化量不均，使成形制件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均，影響成形質(zhì)量；而高流動(dòng)性的粉末易于流化，沉積均勻，回收粉量小，粉末利用率高，有利于提高3D打印成形件的尺寸精度和表面均勻致密化。
6、粉末的其他性能
在EBSM工藝中，粉末形貌以及導(dǎo)電性能對(duì)成形過程的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)具有重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在EBSM成形過程中，電子束轟擊導(dǎo)致球形粉末偏離原來位置，或者電子束轟擊使得金屬粉末帶電，成型艙內(nèi)出現(xiàn)類似“沙塵暴”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致零件缺陷或者無法進(jìn)行后續(xù)打印工作。
需要解決的問題和待改善的關(guān)鍵技術(shù)
目前而言，國內(nèi)金屬3D打印仍處于商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化初級(jí)階段，未來3D打印技術(shù)需要解決的問題和待改善的關(guān)鍵技術(shù)包括：
（1）目前，國內(nèi)3D打印用金屬粉末主要以氣霧化和旋轉(zhuǎn)電極霧化法為主，部分工藝如等離子球化技術(shù)等則大多處于研發(fā)狀態(tài)，不具備批量化、規(guī)�；a(chǎn)的能力；
（2）粉末質(zhì)量如粉末粒度、氧含量、球形度、干潔度等仍落后國外先進(jìn)水平，部分3D打印工藝所需細(xì)粉（20-45μm）仍依賴進(jìn)口，高端金屬基粉末缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)力，低成本細(xì)粉的開發(fā)仍是國內(nèi)3D打印領(lǐng)域亟待解決的問題；
（３）國內(nèi)3D打印領(lǐng)域研究及應(yīng)用重點(diǎn)相對(duì)集中在鈦及鈦合金、不銹鋼、高溫合金等體系，應(yīng)展開更多合金體系的研發(fā)，并建立健全3D打印金屬材料成型及處理工藝、壽命預(yù)測(cè)、性能評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)庫；
（4）國內(nèi)3D打印產(chǎn)品存在著表面粗糙、組織缺陷較多、殘余應(yīng)力較大、蠕變和疲勞性能不足等問題，在構(gòu)件的關(guān)鍵部位難當(dāng)重任；
（5）國內(nèi)技術(shù)所制備粉末存在不同批次粉末質(zhì)量不穩(wěn)定，與進(jìn)口設(shè)備不匹配，制粉設(shè)備及工藝技術(shù)仍待提高；
（6）以鈦合金細(xì)粉為代表的粉末價(jià)格居高不下，昂貴的價(jià)格一定程度上制約了3D打印技術(shù)的應(yīng)用和推廣，因此，3D打印未熔粉末的回收及循環(huán)利用研究有著重要的意義。
總結(jié)
3D打印作為一種顛覆性的零部件制造技術(shù)近年來得到了高度重視和快速發(fā)展。然而，金屬3D打印由于存在原料粉末成本高、打印效率低、熱應(yīng)力變形、鑄造組織和宏觀缺陷等問題，其應(yīng)用進(jìn)程遠(yuǎn)落后于其他材料體系。因此，完善及開發(fā)金屬粉體的制備工藝和打印工藝是今后研究的重點(diǎn)。
為給3D打印企業(yè)資源有效整合、實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”緊密結(jié)合提供一個(gè)良好的交流平臺(tái)，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺(tái)將于2021年5月18日舉辦“2021首屆3D打印粉體材料制備及檢測(cè)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)”�？紤]到粉末制備及打印工藝的重要性，我們邀請(qǐng)到了北京科技大學(xué)的曲選輝教授，曲選輝教授將給大家?guī)眍}為《金屬近球形粉末低成本制造與高效打印成形新技術(shù)》的報(bào)告。屆時(shí)，曲選輝教授將向大家介紹團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的近球形金屬粉末改性制備新技術(shù)及粉末喂料打印新工藝。
專家介紹：
曲選輝，北京科技大學(xué)教授。2004-2014年任材料科學(xué)與工程學(xué)院院長，2008-2020任新材料研究院院長�，F(xiàn)任國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組成員，中國新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長，中國材料研究學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國金屬學(xué)會(huì)粉末冶金分會(huì)主任委員。《粉末冶金技術(shù)》主編，《FrontiersofMaterialsScience》、《PowderMetallurgy》等10余雜志編委。主要從事金屬材料、粉末冶金專業(yè)方向的教學(xué)與研究工作，先后主持國家基金、973、863、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國家項(xiàng)目40余項(xiàng)，發(fā)表SCI論文400余篇，出版著作5部，獲授權(quán)發(fā)明專利150余項(xiàng)。曾獲國家教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)20余項(xiàng)。獲“全國優(yōu)秀科技工作者”、“北京市優(yōu)秀教師”、“寶鋼優(yōu)秀教師特等獎(jiǎng)”、“中國粉末冶金貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”等榮譽(yù)。1999年入選“長江學(xué)者”特聘教授，2000年獲國家杰出青年科學(xué)基金。
參考來源：
[1]高超峰等.3D打印用金屬粉末的性能特征及研究進(jìn)展
[2]李安等.3D打印用金屬粉末制備技術(shù)研究進(jìn)展
[3]程玉婉等.金屬3D打印技術(shù)及其專用粉末特征與應(yīng)用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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