增材制造常被稱作3D打印，是一種從無到有逐層構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)或組件的制造工藝。其原理是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末、塑料等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成形，制造出實(shí)體產(chǎn)品。目前增材制造應(yīng)用行業(yè)日益增多，包括航空航天，汽車制造，消費(fèi)電子，生物醫(yī)療，工業(yè)設(shè)備等。

增材制造工藝包括：粉床熔融成型，立體光刻工藝，熔融沉積成型，噴膠粘粉工藝等。相比于傳統(tǒng)的減材制造方式，增材制造工藝具有低成本、高效益等優(yōu)勢，越來越受到各行業(yè)的青睞。但要成功地進(jìn)行增材制造，前提是必須對組件的原材料（如金屬粉末和聚合物粉末）進(jìn)行表征篩選。

為什么材料表征很重要？

使用增材制造工藝生產(chǎn)的組件在性能上高度依賴于其基本的微結(jié)構(gòu)，而微結(jié)構(gòu)又取決于原材料（金屬、聚合物）的性能和所使用的工藝條件。在工藝條件固定的情況下，最大的不確定性就來自于材料；材料性能不一致會導(dǎo)致組件成品的性能不一致。因此，要生產(chǎn)出質(zhì)量一致的增材制造組件，制造商必須了解并優(yōu)化材料的特性，例如金屬粉末、聚合物粉末或其他材料（如陶瓷和聚合物樹脂）。

材料的哪些特性很重要？

這取決于所采用的增材制造工藝和使用的材料類型。例如，在噴膠粘粉工藝和粉床熔融成型等金屬粉床工藝中，材料的粒度和粒形是其關(guān)鍵特性，因?yàn)樗鼈儠绊懛勰┑牧鲃雍吞畛涠取６谶@些工藝中，材料的化學(xué)成分同樣重要，尤其是金屬粉末；粉末材料需滿足指定的合金成分，這會直接影響成品的性能。

晶體結(jié)構(gòu)是金屬粉末的另一個(gè)重要特性。因?yàn)樵谀承┰霾闹圃爝^程中，快速加熱?- 冷卻循環(huán)會引起物相變化并產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響組件的疲勞壽命等機(jī)械性能。另外，對于增材制造使用的聚合物材料，聚合結(jié)構(gòu)（支化度、結(jié)晶度）可能會影響材料的液態(tài)和固態(tài)性能，包括粘度、模量以及熱性能等。

增材制造原材料表征方案

在粉床熔融過程中，金屬粉末層分布于制造平臺上，被激光或電子束等選擇性地熔化或熔融。熔化后平臺將被降低，此過程將持續(xù)重復(fù)，直到制造完成。未熔融粉末將被去除，根據(jù)其狀態(tài)重復(fù)使用或回收。因此，粉末層增材制造工藝的效率和成品組件的質(zhì)量在很大程度上取決于粉末的流動行為和堆積密度。

從新合金或聚合物開發(fā)到粉末回收，制造商必須在供應(yīng)鏈的各個(gè)階段對粉末性能進(jìn)行表征。其中，激光衍射、自動圖像分析、X 射線熒光和 X 射線衍射是用于表征增材制造粉末的四種常用關(guān)鍵分析技術(shù)。

粒度分布及大小

在粉床式增材制造工藝中，粒度分布會影響粉床的填充度和流動性，進(jìn)而影響生產(chǎn)質(zhì)量和最終組件的性能。為了測定增材制造使用的金屬、陶瓷和聚合體粉末的粒度分布，全球粉末生產(chǎn)商、組件制造商以及機(jī)器制造商通常使用激光衍射技術(shù)來鑒定和優(yōu)化粉末性能。

使用激光粒度衍射儀Mastersizer 3000 系統(tǒng)或在生產(chǎn)線上使用在線Insitec 粒度測量系統(tǒng)，可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中提供完整的高分辨率粒度分布結(jié)果。

激光粒度儀Mastersizer 3000

顆粒形狀

粒度和粒形直接影響粉床的致密度和粉末流動性。形狀平滑規(guī)則的顆粒比表面粗糙、形狀不規(guī)則的顆粒更容易流動和填充。

增材制造商為保證所用顆粒具有規(guī)則形狀，可使用?Morphologi 4 自動成像系統(tǒng)對金屬、陶瓷和聚合物粉末的粒度和粒形進(jìn)行分類和鑒定。該系統(tǒng)可將顆粒的長度、寬度等大小測量結(jié)果與圓度、凸曲度（粗糙度）等形狀特征評估結(jié)果相結(jié)合，幫助制造商完成上述工作。

Morphologi 4快速自動化粒度和粒形分析儀

元素組成

元素組成對于合金材料尤其重要，合金元素含量的微小變化都會影響其化學(xué)和物理性能，包括強(qiáng)度、硬度、疲勞壽命和耐化學(xué)性。

為了檢測這些變化以及污染物或夾雜物，并確定這些金屬合金和陶瓷的元素成分，可使用?X 射線熒光 (XRF) 系統(tǒng)，比如 Zetium 和 Epsilon 等系統(tǒng)。而且，與其他技術(shù)相比，XRF 還能顯著節(jié)省時(shí)間和成本。

X射線熒光光譜儀Zetium

臺式能譜儀一體機(jī)Epsilon1

微結(jié)構(gòu)

諸如物相成分、殘余應(yīng)力、晶粒大小和晶粒取向分布（織構(gòu)）等微結(jié)構(gòu)特性，也會影響成品組件的化學(xué)和機(jī)械性能。?

為了分析這些微結(jié)構(gòu)特性并控制成品組件的性能，制造商通常使用臺式?X 射線衍射 (XRD) 系統(tǒng)分析金屬的物相，比如 Aeris 系統(tǒng)。 如需獲取有關(guān)材料在各種條件下的織構(gòu)、晶粒尺寸和殘余應(yīng)力的更多信息，則可以使用多用途衍射儀，比如 Empyrean 衍射儀。 XRD 還廣泛用于研究聚合物和陶瓷的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度。 如要確定聚合物粉末的分子量和分子結(jié)構(gòu)，則大多會使用凝膠滲透色譜 (GPC) 系統(tǒng)，比如 Omnisec 系統(tǒng)。

臺式X射線衍射儀Aeris

馬爾文帕納科增材制造表征解決方案可用于：

·?確保始終如一的粉末供應(yīng)防止產(chǎn)品質(zhì)量波動

·?為采用不同撒布器或耙式設(shè)計(jì)的機(jī)器確定合適粉末

·?優(yōu)化霧化條件以實(shí)現(xiàn)所需的粉末特性

·?預(yù)測并優(yōu)化粉末堆積密度和流動特性

·?確保粉末具有正確的元素組成和相結(jié)構(gòu)

·?確定制造組件的殘余應(yīng)力、應(yīng)變和織構(gòu)

作者：

馬爾文帕納科