《越達(dá)增材》：金屬3D打印對(duì)原料粉體品質(zhì)的要求有多高？

金屬粉體材料是金屬3D打印工藝的原材料，其粉體的基本性能對(duì)最終的成型的制品品質(zhì)有著很大的關(guān)系。金屬3D打印對(duì)于粉體的要求主要在于化學(xué)成分、顆粒形狀、粒度及粒度分布、流動(dòng)性、循環(huán)使用性等這幾個(gè)方面，具體要求見下文解析。

一、化學(xué)成分
      原料的化學(xué)主要成分包括金屬元素和雜質(zhì)成分，主要金屬元素常用的有Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr以及貴金屬Ag、Au等。雜質(zhì)成分有還原鐵中的Si、Mn、C、S、P、O等，從原料和粉末生產(chǎn)中中混入的其他雜質(zhì)等，粉體表面吸附的水及其他氣體等。

      在成型過(guò)程，雜質(zhì)可能會(huì)與基體發(fā)生反應(yīng)，改變基體性質(zhì)，給制件品質(zhì)帶來(lái)負(fù)面的影響。夾雜物的存在也會(huì)使粉體熔化不均，易造成制件的內(nèi)部缺陷。粉體含氧量較高時(shí)，金屬粉體不僅易氧化，形成氧化膜，還會(huì)導(dǎo)致球化現(xiàn)象，影響制件的致密度及品質(zhì)。

      因此，需要嚴(yán)格控制原料粉體的雜質(zhì)及夾雜以保證制品的品質(zhì)，所以，3D打印用金屬粉體需要采用純度較高的金屬粉體原料。

二、顆粒形狀、粉體粒度及粒度分布
1、形狀要求。常見的顆粒的形狀有球形、近球形、片狀、針狀及其他不規(guī)則形狀等。不規(guī)則的顆粒具有更大的表面積，有利于增加燒結(jié)驅(qū)動(dòng)。但球形度高的粉體顆粒流動(dòng)性好，送粉鋪粉均勻，有利于提升制件的致密度及均勻度。因此，3D打印用粉體顆粒一般要求是球形或者近球形。
2、粉體粒度及粒度分布。研究表明，粉體是通過(guò)直接吸收激光或電子束掃描時(shí)的能量而熔化燒結(jié)，粒子小則表面積大，直接吸收能量多，更易升溫，越有利于燒結(jié)。此外，粉體粒度小，粒子之間間隙小，松裝密度高，成形后零件致密度高，因此有利于提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和表面質(zhì)量。但粉體粒度過(guò)小時(shí)，粉體易發(fā)生粘附團(tuán)聚，導(dǎo)致粉體流動(dòng)性下降，影響粉料運(yùn)輸及鋪粉均勻。

      所以細(xì)粉、粗粉應(yīng)該以一定配比混合，選擇恰當(dāng)?shù)牧６扰c粒度分布以達(dá)到預(yù)期的成形效果。

三、粉體的工藝性能要求
      粉體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。

a、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(guò)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。

b、流動(dòng)性。粉體的流動(dòng)性直接影響鋪粉的均勻性或送粉的穩(wěn)定性。粉末流動(dòng)性太差，易造成粉層厚度不均，掃描區(qū)域內(nèi)的金屬熔化量不均，導(dǎo)致制件內(nèi)部結(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，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。

c、循環(huán)性能。3D打印過(guò)程結(jié)束后，留在粉床中未熔化的粉末通過(guò)篩分回收仍然可以繼續(xù)使用。但長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境下，粉床中的粉末會(huì)有一定的性能變化。需要搭配具體工藝選用回收率。

四、3D打印用金屬粉末的種類及應(yīng)用領(lǐng)域
      單一組分的金屬粉末在成形過(guò)程中出現(xiàn)明顯的球化和集聚現(xiàn)象，易造成燒結(jié)變形和密度疏松，因此，多組元金屬粉末或者預(yù)合金粉末被開發(fā)了出來(lái)。按基體的主要元素可為鐵基材料、鎳基合金、鈦與鈦合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金以及貴金屬等。

1、鐵基材料。3D打印中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，力學(xué)性能優(yōu)異，耐高溫和耐腐蝕，性價(jià)比高，適合打印尺寸較大的產(chǎn)品，多用于各種工程機(jī)械、零件及模具等。市面典型的材料有304和316奧氏體不銹鋼粉。

2、鎳基材料。這類材料具有良好的高溫性能，抗氧化和抗腐蝕性。在航空航天、船舶以及石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用較廣。

3、鈦及鈦合金。其突出特點(diǎn)是比強(qiáng)度高，抗腐蝕，生物相容性好。因此在航天航空、生物骨骼，牙齒種植方面有著廣泛應(yīng)用。

4、鈷鉻合金。主要分為CoCrW和CoCrMo合金兩大類，具有良好的高溫性能及抗腐蝕性能。常應(yīng)用于在牙科修復(fù)體如牙冠固定橋、可摘除義齒等的個(gè)性化定制方面。

5、鋁合金。鋁合金是一種輕量化金屬，其熔點(diǎn)低、密度低，但機(jī)械強(qiáng)度稍弱，化學(xué)活性強(qiáng)，目前已有研究可以通過(guò)3d打印制備出高強(qiáng)度的鋁合金材料。這對(duì)于重視輕量化的的航空器和汽車零部件來(lái)說(shuō)是非常有意義的。

6、銅及銅合金。銅最大的優(yōu)勢(shì)在于其優(yōu)異的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性�？捎糜诤娇蘸教�、電子、機(jī)械零部件加工。

7、貴金屬。黃金和白銀等具有良好的塑性和延展性，光澤度十分美觀，可以通過(guò)3D打印加工個(gè)性化飾品，實(shí)現(xiàn)高精度高難度藝術(shù)品的設(shè)計(jì)和制作。