中國粉體網訊 3D打印（增材制造）作為區別于傳統”去除型”加工的新型制造技術，以其簡易的制造工藝、較低的生產成本和較短的研發周期，備受人們關注。目前，金屬3D打印技術已經開始從研發階段逐步向產業化發展，金屬粉末的成本及其性能成為制約該產業快速健康發展的瓶頸之一。
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3D打印對粉末的要求
金屬粉末是金屬3D打印工藝的原材料，直接用于金屬3D打印技術各項生產研究，其性能很大程度上決定了最終的成型效果，因此高質量的粉末對于金屬3D打印技術的發展至關重要。如今廣泛認可的對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、粉末粒徑細小、粒徑分布窄、具備良好的可塑性和流動性及利于循環利用等特點。
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，會帶入一些雜質。這些雜質的存在會改變所制備零件的特性甚至致使打印無法進行。金屬粉末的純凈度直接影響到3D打印的成形質量。一般來說，粉末中的夾雜物會提高顆粒硬度，降低粉末成型性能，對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，則在燒結成形過程中雜質可能會與基體金屬粉末發生化學反應，使得3D打印無法進行或者改變成型零件的屬性。
因此，粉末中的雜質成分和夾雜應嚴格控制在一定范圍內，保證得到高質量的零件。
2、粉末顆粒形狀
在金屬粉末制備過程中，粉末顆粒會隨著制備方法的不同而呈現不同形狀，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性、松裝密度，進而對所制備金屬零件的性能產生影響。
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一般來說，球形或者近球形粉末具有良好的流動性，在打印過程中不易堵塞供粉系統，能鋪成薄層，進而提高3D打印零件的尺寸精度、表面質量，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，進而使得燒結驅動力增大。因此，粒度小的粉末有利于燒結的順利進行；此外，細小的粉末顆粒之間空隙小，相鄰兩鋪粉層之間連接緊密，有利于提高燒結致密化和燒結強度。細顆粒填充到大顆粒的空隙中，提高了粉末的堆積密度，以及打印零件的強度和表面質量。但是，如果細顆粒過多，易造成鋪粉厚度不均勻，在燒結過程中容易出現“球化”現象。
研究發現，在激光凈成型技術中，粉末粒徑過大時，噴嘴處粉末輸送流的發散角顯著增大，反彈飛濺嚴重，且粉末利用率降低；此外，粒徑過小的超細粉由于直徑太小，粉末容易團聚，導致輸送性能差，影響3D打印的持續進行。大量實驗表明，粗細粉末顆粒以恰當的配比混合，才能得到良好的3D打印效果
4、粉末的循環使用
在現有3D打印用粉末制備技術水平下，微細粉的制備成本較高，其價格約是傳統粉末冶金用粉的10倍。因此，從節約原材料、降低生產成本的角度來說，粉末循環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、振實密度、流動性和循環利用性能。
松裝密度是粉末自然堆積時的密度，振實密度是經過振動后的密度。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，成形質量好。
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粉末的流動性是粉末的關鍵性能之一，粉末的流動性直接影響SLM過程中鋪粉的均勻性和LENS過程中送粉的穩定性。粉末流動性太差，在混合時容易粘附、抱團，無法將其混合均勻，容易造成粉層厚度不均，掃描區域內各部位的金屬熔化量不均，使成形制件內部組織結構不均，影響成形質量；而高流動性的粉末易于流化，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，粉末形貌以及導電性能對成形過程的穩定實現具有重要的影響。研究發現，在EBSM成形過程中，電子束轟擊導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，成型艙內出現類似“沙塵暴”現象，從而導致零件缺陷或者無法進行后續打印工作。
需要解決的問題和待改善的關鍵技術
目前而言，國內金屬3D打印仍處于商業化、產業化初級階段，未來3D打印技術需要解決的問題和待改善的關鍵技術包括：
（1）目前，國內3D打印用金屬粉末主要以氣霧化和旋轉電極霧化法為主，部分工藝如等離子球化技術等則大多處于研發狀態，不具備批量化、規模化生產的能力；
（2）粉末質量如粉末粒度、氧含量、球形度、干潔度等仍落后國外先進水平，部分3D打印工藝所需細粉（20-45μm）仍依賴進口，高端金屬基粉末缺乏核心競爭力，低成本細粉的開發仍是國內3D打印領域亟待解決的問題；
（３）國內3D打印領域研究及應用重點相對集中在鈦及鈦合金、不銹鋼、高溫合金等體系，應展開更多合金體系的研發，并建立健全3D打印金屬材料成型及處理工藝、壽命預測、性能評價等數據庫；
（4）國內3D打印產品存在著表面粗糙、組織缺陷較多、殘余應力較大、蠕變和疲勞性能不足等問題，在構件的關鍵部位難當重任；
（5）國內技術所制備粉末存在不同批次粉末質量不穩定，與進口設備不匹配，制粉設備及工藝技術仍待提高；
（6）以鈦合金細粉為代表的粉末價格居高不下，昂貴的價格一定程度上制約了3D打印技術的應用和推廣，因此，3D打印未熔粉末的回收及循環利用研究有著重要的意義。
總結
3D打印作為一種顛覆性的零部件制造技術近年來得到了高度重視和快速發展。然而，金屬3D打印由于存在原料粉末成本高、打印效率低、熱應力變形、鑄造組織和宏觀缺陷等問題，其應用進程遠落后于其他材料體系。因此，完善及開發金屬粉體的制備工藝和打印工藝是今后研究的重點。
為給3D打印企業資源有效整合、實現“產學研”緊密結合提供一個良好的交流平臺，中國粉體網旗下粉體公開課平臺將于2021年5月18日舉辦“2021首屆3D打印粉體材料制備及檢測技術網絡研討會”。考慮到粉末制備及打印工藝的重要性，我們邀請到了北京科技大學的曲選輝教授，曲選輝教授將給大家帶來題為《金屬近球形粉末低成本制造與高效打印成形新技術》的報告。屆時，曲選輝教授將向大家介紹團隊自主研發的近球形金屬粉末改性制備新技術及粉末喂料打印新工藝。
專家介紹：
曲選輝，北京科技大學教授。2004-2014年任材料科學與工程學院院長，2008-2020任新材料研究院院長。現任國務院學位委員會學科評議組成員，中國新材料產業技術創新戰略聯盟副理事長，中國材料研究學會常務理事，中國金屬學會粉末冶金分會主任委員。《粉末冶金技術》主編，《FrontiersofMaterialsScience》、《PowderMetallurgy》等10余雜志編委。主要從事金屬材料、粉末冶金專業方向的教學與研究工作，先后主持國家基金、973、863、重點研發計劃等國家項目40余項，發表SCI論文400余篇，出版著作5部，獲授權發明專利150余項。曾獲國家教學成果一等獎1項、國家發明二等獎1項、國家科技進步二等獎1項，省部級科技成果獎20余項。獲“全國優秀科技工作者”、“北京市優秀教師”、“寶鋼優秀教師特等獎”、“中國粉末冶金貢獻獎”等榮譽。1999年入選“長江學者”特聘教授，2000年獲國家杰出青年科學基金。
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展
[2]李安等.3D打印用金屬粉末制備技術研究進展
[3]程玉婉等.金屬3D打印技術及其專用粉末特征與應用
（中國粉體網編輯整理/山川）
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