實現(xiàn)金屬3D打印安全生產你必需知道的要素

金屬3D打印技術逐漸走向生產領域，在復雜零部件制造或小批量生產中占有日益重要的地位，GE、空客、Honeywell 等著名制造業(yè)用戶近年來在全球范圍內建立了增材制造中心，并安裝了多臺金屬3D打印設備。除了這些大型制造企業(yè)，一些細分領域的中小型制造用戶也陸續(xù)安裝了金屬3D打印設備，并打造企業(yè)在增材制造領域的競爭力。

我們知道，在每條制造生產線或者每個生產車間中都有需要遵守的安全生產規(guī)范，那么，隨著越來越多的金屬3D打印設備走向企業(yè)的生產車間，用戶應怎樣做才能確保安全生產呢？ 在使用金屬3D打印設備中存在哪些需要規(guī)避的安全隱患呢？下面，南極熊就以粉床激光熔化金屬3D打印設備及其打印材料為例，舉出幾個存在安全隱患的因素，為大家安全、規(guī)范地操作金屬3D打印設備提供一定的參考。


粉末和惰性氣體使用中的風險

粉末床激光熔化金屬3D打印機使用的材料為金屬粉末，粒徑為10-70微米。這種類型的粉末材料存在引發(fā)火災或爆炸的風險，此外，人體對粉末顆粒的長期接觸和吸入也會給身體健康帶來一定隱患。

在粉末床激光熔化工藝中，激光器將金屬粉末進行局部的熔化。這個過程是在充滿惰性氣體（氬氣或氮氣）的過程中進行的，這些氣體可以在封閉的環(huán)境下產生氧氣，這也是第二個風險的來源。此外，金屬粉末激光熔化過程中將產生一定“煙霧”，這些物質會沉積在打印室和過濾器中。煙霧中的顆粒比金屬粉末本身更細，也金屬粉末存在著類似的安全隱患，因此需要定期清潔。

總結下來，粉末床激光熔化工藝在打印過程中主要存在四個隱患：火災和爆炸，粉末吸入和接觸，惰性氣體窒息和材料廢物對環(huán)境的影響。

▲存放金屬粉末的塑料容器

· 火災和爆炸

2014年，美國職業(yè)安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration）曾在OSHA職業(yè)安全與健康標準中引術了這樣一個安全生產的案例，某公司的金屬3D打印工作場所沒有配備合規(guī)的滅火設備，導致一名操作人員被火灼傷。雖然火災是由于該公司不規(guī)范的操作設備而引起的，但這個事件仍然具有安全警示意義。那么，在這個事件中有哪些值得吸取的教訓呢？ 哪些原因可能引起金屬3D打印過程中發(fā)生火災呢？

如上圖所示，火災和爆炸通常是由多種條件同時引起的，引起火災的條件包括：氧氣、燃料、點火源（左圖）。當同時具備氧氣和燃料這兩個條件時就存在著火的隱患了，此時需要避免火源。環(huán)境中產生的靜電都有可能成為點火源，另外，熱的表面、熱氣體都有可能產生火花和雜散的電流，從而成為點火源。引起爆炸的條件包括：粉塵、氧氣、燃料、封閉（右圖）。環(huán)境中所存在的粉塵遇到火源則可能發(fā)生爆炸。

當然，即使是以上條件同時具備也并非意味著一定會引發(fā)火災和爆炸，只有當這些條件達到一定的水平時，才會發(fā)生危險。比如，燃燒的風險隨著粉末粒徑的減小而增加，因此在風險控制工作中，應該注意金屬粉末的屬性。通常，鋁合金、鈦、鈦合金，以及這些金屬粉末所產生的煙霧都屬于活性金屬，它們引發(fā)火災或爆炸的風險高于鋼、鉻鎳鐵合金、青銅、鈷鉻合金等非活性金屬。


· 粉塵吸入和接觸

金屬3D打印粉末的粒徑為10-70微米，這類粉末處于對人體的呼吸系統(tǒng)產生傷害的邊緣。有學者在研究論文中表明，人體在吸入直徑10-70微米的粉末顆粒之后，這些細微的粉末顆粒可以沉積在氣管和支氣管中，最終被人體吞咽和排出，在這個直徑范圍內的粉末顆粒，對人體肺部產生傷害的可能性較小，因為只有直徑在2微米以下的顆粒才能到達肺泡中對肺部造成傷害。但是由于人體長期處在金屬粉末的環(huán)境中究竟會對身體造成怎樣的傷害目前并沒有得到充分的證實，因此粉末操作人員仍應佩戴呼吸器等防護設備，對身體進行保護。


· 惰性氣體窒息

粉末床激光熔化3D打印設備在工作狀態(tài)下會用到氬氣或氮氣這樣的惰性氣體。惰性氣體如果由于某些原因發(fā)生泄漏，則可能產生嚴重后果。由于這兩種氣體都不能被人體所察覺，受害者會在沒有防備的情況下吸入含有這兩種氣體的空氣。在人體呼吸的空氣中氧氣含量為21%，如果因惰性氣體泄漏而使氧氣含量低于19.5%，人體就會因氧缺乏而受到傷害。這種情況特別容易發(fā)生在比較封閉的小操作間里，金屬3D打印用戶應該意識到這種潛在的風險，并采取預防措施，防患于未然。


· 環(huán)境影響

粉末床工藝的金屬3D打印機在使用過程中的一個挑戰(zhàn)是處理和收集設備中不同部位“散落”的金屬粉末，在這個處理過程中也存在上述火災、爆炸和吸入性傷害等風險。另外，存儲中散落出來的粉末可能對外界環(huán)境造成一定危害。

此外，用戶在使用金屬3D打印設備前還應系統(tǒng)參加設備廠商提供的培訓，并向廠商了解安全操作規(guī)范，同時結合消防、安全生產條例做好規(guī)范的預防措施。

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來源：3D科學谷