西门子、欧特克等工业软件企业，从设计融合、制造流程融合的角度出发，为3D打印与传统制造技术的集成做了铺垫。在硬件方面一个明显的趋势是，实现增材制造生产自动化，并与传统制造工艺进行无缝衔接。例如乔治费歇尔集团的GF 加工方案，借助自身在传统减材制造和自动化方面的专业特长，打造了混合型生产解决方案，包括粉末床金属3D打印，以及铣削、电加工（EDM）、线切割（WEDM）、激光纹理加工等完成零件成品所需的全部工艺流程，GF 加工方案将这些技术进行集成，组建“未来工厂”。

除了软件与设备，如何对粉末床工艺所需的金属粉末材料，进行安全、高效的管理、使用与回收，也是粉末床金属3D打印技术在更多民用工业领域得到规模化应用的前提。本期，3D科学谷将通过分享粉末材料真空输送系统制造商Volkmann 对于金属3D打印粉末控制与使用的经验与看法，与谷友一起探讨这一话题。

 封闭、安全、高效的传输粉末材料

目前的比较常见的应用场景是，一个车间中安装了两三台金属3D打印设备，金属粉末由小容量容器送入设备。这种情况在增材制造设备数量少且构建周期较长时，是可以接受的。但当更多增材制造设备投入到生产中，以及制造速度提升，打印部件的尺寸变得更大时，在粉末供给过程中就尤其需要规避粉末爆炸的潜在风险，并实现致密粉末的有效管理。

在食品、化学和制药等行业中，粉末材料在生产环境中进行传递是很普遍的，但是在传统的机械加工车间中，人们更熟悉棒材、钣金材料的处理要求，对于安全、封闭的进行粉末材料处理是缺乏经验的。因此，粉末床金属增材制造工艺中的粉末材料管理，可以跨界借鉴其他领域的经验。

在金属粉末材料的增材制造工艺中，包含三个涉及到粉末材料传输的环节。

-从初始供应处将材料装载到打印机中

• 中型散货散装
• 小容器

-移出剩余粉末的过程

• 从打印机构建室直接移出未熔融粉末
• 从打印设备中的粉末溢出收集器中移出粉末
• 从打印件中被清除的粉末

-将粉末材料送回打印机，进行循环使用的过程

• 筛选和收集上次剩余粉末
• 回收材料与原始材料进行一定比例的混合
• 根据需要对粉末进行干燥处理（在粘结剂喷射3D打印中有可能出现的情况）

*以上情况包括惰性环境和非惰性环境。

规避爆炸风险

在以上这些增材制造工作环境中，明显的挑战是如何保持工作场所区域清洁，避免操作员吸入超细金属粉末的风险，同时避免操作人员穿戴笨重的防护服和呼吸装置的需要。在这种环境下，与机械压力或“送风系统”气动输送装置相比，封闭式真空粉末传输系统更具优势，因为在本就不太可能发生泄漏的情况下，空气会向内流动，从而使粉末留在容器内。

封闭式真空传输装置由真空泵、过滤器系统和以给定速度控制生成的气流中粉末量的装置组成。真空泵使系统中的压力在排放端降低，从而使空气（或气体）从较高的压力区域传递到较低的压力区域。在给定速度（通常称为盐化速度）下，气流能够携带一定量的粉末，从而将粉末从一端转移到另一端。而过滤系统的作用是，在粉末到达目的地时将粉末从气流中分离出来。

真空泵（1）在真空输送机的分离容器中产生负压，空气从已经从产品进料站转移过来的进气口（2）吸入，运输的物料移动。真空的空气通过分离容器内沉积材料的过滤器系统（3），并在那里积聚。在微尘的情况下，由于较低的过滤器表面负荷，附加的旋风分离器（4）可实现更高的流速。填充分离器容器后，关闭真空泵。分离容器中的压力迅速降至大气压。卸料模块（5）中的阀打开，被输送的粉末从真空输送机直接落入接收容器。清空时 过滤器通过压缩空气的回流脉冲进行清洁。在这种情况下，所有滤饼都会被可靠地清除。如果需要传输的是“桥接”或粘合材料，则可以添加可选的活塞振动器和流化单元以帮助排出。排空完成后，卸料阀关闭，输送过程再次开始。
来源：Powder Bulk Solid

听起来虽然简单，但是在实际操作中，粉末的行为是难以预测的，它们受到水分、颗粒形状、粒度分布、堆积密度和流动性等因素的影响，这些因素叠加在一起时，更给预测粉末行为带来难度。而与细糖粉末、咖啡奶精、淀粉等细粉末材料一样，在增材制造过程中人们每天都要处理的粉末材料，在一定条件下也同样具有潜在的爆炸风险。下图展示了引起爆炸的条件。

 引起爆炸的三个条件：氧气、易燃物、点火源。来源：Powder Bulk Solid

消除三角形中所显示的三个因素中的任何一个，将能防止发生爆炸。一般而言，大于500微米的颗粒不被认为具有高风险，但通常30至45微米的金属粉末具有高风险。

ATEX防爆认证体系确定了13种点火源：

1. 化学反应
2. 灼热表面
3. 机械火花
4. 火焰，热气
5. 电气单元
6. 雷击
7. 电子补偿电流
8. 超声波
9. 高频辐射
10. 电磁波
11. 绝热压缩
12. 电离辐射
13. 静电荷

在列出的13个因素中，只有最后一个-静电荷与全气动真空输送系统有关，该系统可以用于从增材制造机器中传输或卸载金属粉末。但能够通过将所有组件接地来消除静电问题*。获得ATEX防爆运行认证的传输系统即达到了使用标准，而只有在经过细的设计提交，测试和形成文件的严格过程之后，真空输送系统才能获得ATEX防爆运行认证，最终达到授予标准的目的。

氧气问题

根据Volkmann ，当前市场上对于如何解决火焰三角中另一个要素-氧气的存在感到困惑。毫无疑问，消除氧气是避免爆炸危险的一种方法。但是，正如在以前的ATEX认证声明中看到的，对于最小点火能量（MIE）大于1mJ（兆焦耳）的粉末来说，这并不是必需的。

有的公司根据一些风险分析的研究结果认为，合适的方式是将氧气含量降低到6％以下。另外，从冶金学的角度考虑，为了防止金属粉末氧化，打印需要在氮气或氩气惰性环境中进行，如果需要惰性转移，必须使用具有此类系统经验的供应商。惰性气体价格昂贵，闭环系统将使气体使用量最小化。在这些系统中，来自真空泵的废气再次循环成为输送气体。这样的系统需要氧气监控，吹扫系统和验证氧含量以及在物料转移过程中控制该含量的能力。

下图显示了粉末筛选和卸载站的基本闭环电路。请注意，接收粉末的容器是惰性环境，并且需要进行连接，以便在与筛分机断开连接时保持惰性条件。

闭环惰性气体传输和传输系统的示例。来源：Powder Bulk Solid

高效的金属粉末处理

如前文所述，在金属零部件的增材制造过程中，有三个环节中需要进行粉末处理，而在每个环节中进行合理操作才能确保粉末处理有效。制造企业如果安装了多台3D打印设备，这些设备可能用于打印同一种金属粉末，也有可能会根据应用需要更换不同的粉末材料。

如果使用同一种粉末材料，则非常需要一种能够同时向三台或四台机器输入和卸载粉末的输送系统（如下图所示），并且通过使用相同的回路以封闭的、便于操作的方式进行。如果一台机器需要使用多种不同的粉末，那么需要考虑更换粉末前的清洁问题。

供多台设备使用的单输送系统示例。来源：Powder Bulk Solid

增材制造的生产需求不断增长，对有效进行金属粉末打印材料的输送提出了更高要求。目前，我们看到许多金属粉末是通过小容量的料斗或桶输送的，除了可能受到粉末需求量的影响，还与材料重量相关，比如说用一个五升的材料容器来盛放镍铬合金这种致密的材料，虽然体积并不大，但其重量却高达100磅（约45千克），这对材料的传输提出了挑战。

金属粉末的供应商已开始以较大的散装量提供粉末材料，并将其输送到“中间散装容器（IBC）”的料斗中。对于较重的金属，也通常是需要130升的规格。在此过程中可以使用真空输送系统，在将材料输送到打印机时进行对接、定量给料，并进行称重。
粉末处理设备供应商现在正在开发系统，助力金属增材制造生产率的提升。很明显，在装载材料、卸载材料，筛选金属粉末，以及回收粉末环节中，优化粉末处理和控制技术，并以封闭、安全和高效的方式传输致密的金属粉末，也是促进粉末床金属增材制造技术跟上规模化零部件生产节奏的重要因素。

* 注：通常所说的冷凝水过滤和控制不是本文所涉及的金属粉末处理的一部分。

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金属粉体材料是金属3D打印工艺的原材料，其粉体的基本性能对最终的成型的制品品质有着很大的关系。金属3D打印对于粉体的要求主要在于化学成分、颗粒形状、粒度及粒度分布、流动性、循环使用性等这几个方面，具体要求见下文解析。

 化学成分
原料的化学主要成分包括金属元素和杂质成分，主要金属元素常用的有Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr以及贵金属Ag、Au等。杂质成分有还原铁中的Si、Mn、C、S、P、O等，从原料和粉末生产中中混入的其他杂质等，粉体表面吸附的水及其他气体等。

在成型过程过程，杂质可能会与基体发生反应，改变基体性质，给制件品质带来负面的影响。夹杂物的存在也会使粉体熔化不均，易造成制件的内部缺陷。粉体含氧量较高时，金属粉体不仅易氧化，形成氧化膜，还会导致球化现象，影响制件的致密度及品质。

因此，需要严格控制原料粉体的杂质及夹杂以保证制品的品质，所以，3D打印用金属粉体需要采用纯度较高的金属粉体原料。

 颗粒形状、粉体粒度及粒度分布
a、形状要求。常见的颗粒的形状有球形、近球形、片状、针状及其他不规则形状等。不规则的颗粒具有更大的表面积，有利于增加烧结驱动。但球形度高的粉体颗粒流动性好，送粉铺粉均匀，有利于提升制件的致密度及均匀度。因此，3D打印用粉体颗粒一般要求是球形或者近球形。

b、粉体粒度及粒度分布。研究表明，粉体是通过直接吸收激光或电子束扫描时的能量而熔化烧结，粒子小则表面积大，直接吸收能量多，更易升温，越有利于烧结。此外，粉体粒度小，粒子之间间隙小，松装密度高，成形后零件致密度高，因此有利于提高产品的强度和表面质量。但粉体粒度过小时，粉体易发生粘附团聚，导致粉体流动性下降，影响粉料运输及铺粉均匀。

所以细粉、粗粉应该以一定配比混合，选择恰当的粒度与粒度分布以达到预期的成形效果。

 粉体的工艺性能要求
粉体的工艺性能主要包括松装密度、振实密度、流动性和循环利用性能。

a、松装密度是粉末自然堆积时的密度，振实密度是经过振动后的密度。球形度好、粒度分布宽的粉末松装密度高，孔隙率低，成形后的零件致密度高成形质量好。

b、流动性。粉体的流动性直接影响铺粉的均匀性或送粉的稳定性。粉末流动性太差，易造成粉层厚度不均，扫描区域内的金属熔化量不均，导致制件内部结构不均，影响成形质量；而高流动性的粉末易于流化，沉积均匀，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匀致密化。

c、循环性能。3D打印过程结束后，留在粉床中未熔化的粉末通过筛分回收仍然可以继续使用。但长时间的高温环境下，粉床中的粉末会有一定的性能变化。需要搭配具体工艺选用回收率。

延伸阅读：

金属3D打印/增材制造的现状及国际标准（上）
金属3D打印/增材制造的现状及国际标准（下）

来源：粉体圈

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金属粉末相关的问题集中在了解粉末的物理特性（尺寸、形状和表面特性）如何影响加工参数（流动性和铺展性）并影响到3D打印结果（孔隙度和缺陷）。而理解这些关系的基础是需要有效地表征粉末本身。

卡内基梅隆大学工程学院的研究人员开发了机器视觉技术，可以自动识别和分类不同种类的3D打印金属粉末，准确度达95％以上。根据卡内基梅隆大学，该技术在五年内可能会获得广泛推广。

机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

根据上海材料所凌松，3D打印的原材料为粉体或丝材，其形态与传统板材、棒材、锻件等有较大区别；因此，其理化特性的测试检验项目与传统减材加工技术的原材料有很大的不同，诸如力学性能、金相组织等项目无法进行。除化学成分分析外，粉体材料应着重关注其粒度、粒度分布、形貌及颗粒中的空隙等参量。

卡内基梅隆（Carnegie Mellon）大学的材料科学和工程教授，研究领域的研究主管伊丽莎白·霍尔姆（Elizabeth Holm）解释说：“在传统的制造领域，通常通过破坏性测试来实现对零件的检测。 一家公司可能会生产多种零件，并对其进行测试，看看这些零件如何忍受压力和疲劳。”

Holm和她的研究团队在八种不同的商业原料粉末上测试了机器视觉粉末分选系统，发现他们的系统能够精确地分选进入3D打印机的粉末，这将使得一些破坏性测试变得多余。在Holm看来，“破坏性测试花费大量的时间和金钱，拉低了增材制造的效率和自动化程度，另外破坏性测试使得3D打印的按需性质变得缓慢。”

在没有手动监督的情况下通过计算机视觉来识别和分类粉末，计算机可以看出，金属粉末是否具有零件要求的微观结构质量 – 强度、抗疲劳度、韧性等。如果是这样，一旦进行3D打印，金属粉末就不太可能带来零件裂纹或发生加工故障。

令人惊讶的是，计算机实际上比训练有素的人类更好地区分粉末。该系统甚至可以识别关于粉末的许多不同特征：其颗粒多大、颗粒如何组合在一起、颗粒的表面粗糙度以及它们的形状。

更重要的是机器视觉方法是自主的、客观的和可重复的，这种客观性是推进金属3D打印过程中质量控制的必要条件。

迄今为止，增材制造金属粉末原料的表征依赖于对目标粉末性质的直接测量。之前，Strondl等人使用动态图像分析来捕获粉末的显微照片，分段，并测量粒径和纵横比分布，从而发现这些特征以及粉末流变学测量与粉末流动和扩散特征相关。Clayton等人的研究认为单独的粒度分布不足以确定粉末性质。相反，他们通过使用流变学测量来表征粉末，他们发现与粉末性质相关，例如回收的程度，制造方法等。也许是最全面的同类研究，Slotwinski等人系统地表征了原始和回收的不锈钢和钴铬粉末，以努力开发增材制造原料材料的标准。他们用激光衍射、X射线计算机断层扫描和光学和扫描电子显微镜测量粒径和形状。此外，他们通过能量色散元素X射线分析，X射线光电子能谱和X射线衍射测定了原子结构和组成。最后，Nandwana等人研究了用于电子束增材制造的两种粉末的粒度、流动性和化学性质。在粉末的回收利用过程中，一种粉末中引起化学反应的显着变化，另一种粉末却发生了微小变化，颗粒尺寸和流动性不受再循环影响。诸如此类的测量提供了对影响粉末特性因素的有价值的洞察。

数据科学提供了一种互补的方法，可以直接从数据流中提取信息，而无需进行还原测量。卡耐基梅隆的方法不是明确地识别和测量单个颗粒，而是将粉末显微照片隐含地表征为局部图像特征的分布。卡耐基梅隆证明了计算机视觉系统能够对具有不同粒度、形状和表面纹理分布的粉末进行分类，以及识别代表性和非典型的粉末图像。 卡耐基梅隆的这项研究用于增材制造可以包括粉末批次鉴定，量化粉末回收的影响，基于粉末特性选择构建参数，识别可能与粉末扩散或构建缺陷相关的特征，以及基于视觉图像定义客观材料标准。

 3D科学谷REVIEW

对于如何减少甚至消除粉末床金属3D打印技术所带来的毛孔的问题是科学家们一直努力的方向，包括调整加工参数，包括过程中工艺监测和质量控制等等。

在这方面，卡内基梅隆大学材料科学与工程系做出了领先的探索。在卡耐基-梅隆大学的NextManufacturing中心，作为全球领先的增材制造研究中心之一，该中心将大量的数据用于分析，以获得更好的理解增材制造过程以及质量控制的能力。卡内基梅隆大学利用工程、科学、计算机科学学院的知识体系发展3D打印工艺新的思维方式：设计优化、材料的选择和表征、工艺参数映射、软件开发、零件检查，和产品合格资格。

之前，卡内基梅隆大学材料科学与工程系教授Tony Rollett通过巨大的同步X射线辐射机，足以看到百万分之一米的金属内部细节。X射线扫描金属3D打印的数据被送回匹兹堡来分析金属打印结果与打印参数之间的关系。

科学家们能够通过同步加速器来研究各种各样的材料的内部结构，包括聚合物、生物医学活检和合金。该小组检查了3D打印的金属，金属内部的毛孔是肉眼难以察觉的，甚至小到难以检测到。而Tony Rollett教授的职业生涯就专注于通过研究材料的微观结构来研究材料的性能如抗疲劳强度等。而金属3D打印的目标是融入到世界的主流制造应用过程中，如航空航天部件，生物医学植入物，和高性能的汽车。研究如何控制金属内部的结构与金属的3D打印的质量息息相关。

卡内基梅隆大学的研究表明表明大多数3D打印钛孔隙率可以通过调整机器的工艺参数来消除。更少的毛孔意味着更强大、更可靠的终端部件。

基于强大的大数据分析能力，卡内基·梅隆大学计划在基于粉末床的金属3D打印技术领域实现如下目标：

－像设计零件的几何形状一样设计加工过程

－监督和控制增材制造过程

－在同一个零件的不同位置体现不同的材料，不同的微观结构和机械性能

－用广泛范围内的金属粉末

－内部孔隙度的消除或设计

卡内基梅隆大学的计算机、机器人科学、理学是举世公认的一流专业。特别是计算机专业，随着卡内基梅隆大学通过机器视觉和人工智能，实现批次鉴定金属3D打印粉末，卡内基梅隆大学对粉末原料的表征与分析能力再上一个新台阶。

文章参考资料：Computer Vision and Machine Learning for Autonomous Characterization of AM Powder Feedstocks，下载资料请加入3D科学谷3D产业链QQ群：529965687

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