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什么是 3D 打印？

3D 打印（又稱增材制造）是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

剛開始 3D 打印主要用于制造模型，之后逐漸在汽車、航空航天、甚至牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

例如 2014 年，周氏農(nóng)民從 3 樓墜落，左腦蓋被撞碎。醫(yī)生采用 3D 打印技術(shù)，設(shè)計(jì)了鈦金屬網(wǎng)重建缺損顱眶骨，制作出缺損的左“腦蓋”，幫其恢復(fù)形象。

哪些因素決定了 3D 打印工件的質(zhì)量？

在工業(yè)生產(chǎn)中，人-機(jī)-料-法-環(huán)，是全面質(zhì)量管理中 5 個(gè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。

· 人 —— 指制造產(chǎn)品的人員；

· 機(jī) —— 制造產(chǎn)品所用的設(shè)備；

· 料 —— 指制造產(chǎn)品所使用的原材料；

· 法 —— 指制造產(chǎn)品所使用的方法；

· 環(huán) —— 指產(chǎn)品制造過程中所處的環(huán)境。

其中，用于購買原材料的費(fèi)用占有相當(dāng)大的比重。同時(shí)，原材料的質(zhì)量也是關(guān)系到工件質(zhì)量優(yōu)劣最關(guān)鍵的因素之一。因此，準(zhǔn)確地檢測和評定原材料的品質(zhì)，是保證工件質(zhì)量、降低工件造價(jià)的重要環(huán)節(jié)。

當(dāng)前應(yīng)用最普遍的金屬 3D 打印技術(shù)是選擇性激光熔化（SLM），該技術(shù)所使用的原材料為金屬粉末。粉末的粒度、形狀、成分差異過大以及未知的特性會(huì)導(dǎo)致分層不均勻、缺陷增加、表面光潔度差，還可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性失效。

因此，有必要對金屬粉末做全面的評價(jià)。

飛納電鏡下的金屬粉末

現(xiàn)有金屬粉末的評估方法存在哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

現(xiàn)有關(guān)于金屬粉末微觀形態(tài)評估的方法有兩種：激光粒度儀法和掃描電鏡觀察法。

激光粒度儀分析：通過顆粒的衍射或散射光的空間分布（散射譜）來分析顆粒大小，并得到樣品的粒度分布。

激光粒度儀法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

· 檢測效率高，一個(gè)樣品的檢測時(shí)間只需要數(shù)分鐘（不含樣品制備時(shí)間）。

· 粒徑范圍廣，可以檢測幾十納米到幾百微米的尺度。

但同時(shí)也存在以下問題：

· 檢測準(zhǔn)確度有限：兩個(gè)小顆粒粘附到一起時(shí)，會(huì)被識別成一個(gè)大顆粒；另外，因不同材料的折射率不同，無法同時(shí)精確分析幾種材料的顆粒粒徑。

· 無法給出形狀信息：無法區(qū)分出長條形顆粒和球狀顆粒，激光粒度儀在測量粒徑時(shí)，統(tǒng)一把顆粒看成了球形。

· 在表征顆粒粒度分布時(shí)激光粒度儀采用的是顆粒體積函數(shù)而不是顆粒數(shù)量函數(shù)。這使得直方圖中的大顆粒具有較高的權(quán)重，而小顆粒很容易被忽略掉。

上圖表顯示了對相同粉末采用兩種不同技術(shù)分析的結(jié)果對比。從高亮顯示的區(qū)域可以看出，較小的顆粒數(shù)量非常顯著（見數(shù)量分布），而這些顆粒的的體積貢獻(xiàn)相當(dāng)?shù)停ㄒ婓w積分布）

掃描電鏡觀察：通過掃描電鏡拍照，獲得顆粒的形狀特征。

優(yōu)點(diǎn)：

· 眼見為實(shí)，直觀準(zhǔn)確：通過電子成像的方式，直接觀察到顆粒。進(jìn)而可以對顆粒的圓度、長徑比等形貌特征進(jìn)行評估。

· 獲取成分信息：配合能譜儀，可以分析顆粒所含元素的種類。

缺點(diǎn)：

數(shù)據(jù)獲取速度較慢，需要連續(xù)拍照并人工測量尺寸并統(tǒng)計(jì)。

飛納（Phenom）提出了什么樣的解決方案？

Phenom ParticleX 以電鏡法為基礎(chǔ)，并搭配能譜儀，可以直觀的獲取顆粒的形狀和成分信息。同時(shí)，通過自動(dòng)移動(dòng)拍照——自動(dòng)顆粒識別——自動(dòng)顆粒分析，可以在短時(shí)間分析大量顆粒，彌補(bǔ)了電鏡法檢測效率低的問題。

應(yīng)用案例

1. 按粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

對供應(yīng)商 A (a, b) 和供應(yīng)商 B (c,d) Ti-6Al-4V 粉末使用掃描電鏡獲得的二次電子圖像及對應(yīng)的顆粒粒度分布。

· ParticleX 可以測量每個(gè)顆粒的最大直徑、最小直徑、周長和形狀等。

· Phenom ParticleX 可自動(dòng)分析粉末，無需人員值守且可連續(xù)運(yùn)行。在自動(dòng)特征分析（AFA）模式下，用戶可以在幾分鐘內(nèi)對龐大的顆?；驃A雜物數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類，進(jìn)而幫助優(yōu)化過程控制。

· 每個(gè)顆粒都分別分析并存儲相應(yīng)的數(shù)據(jù)。利用顆粒查看器，用戶可以輕松地對單個(gè)顆粒重新查看進(jìn)行更深入的分析或成像。

2. 按形狀進(jìn)行分類：

按照以下形態(tài)規(guī)則識別顆粒類型：

· 球形顆粒： – Aspect < 1.1 AND Roundness ≥ 0.9 – 0.6 ≤ Dave ≤ 5.5 AND Aspect < 1.4*

· 衛(wèi)星球顆粒： – Aspect < 1.4 AND Roundness > 0.6 AND (Area/Hull Area ≥ 0.95 AND Void Count < 1

· 變形顆粒/團(tuán)聚顆粒： – 所有其他顆粒

使用這些規(guī)則，可以分離出每種形態(tài)類型顆粒的粒徑體積分布（參見下圖）。

Ti-6Al-4V 粉末中球形顆粒、衛(wèi)星球顆粒和變形顆粒的體積分布

3. 按成分進(jìn)行分類：

對 Ti-6Al-4V 粉末按照化學(xué)組成進(jìn)行顆粒分析

4. 高分辨率成像：

Phenom ParticleX 作為自動(dòng)化增材質(zhì)量分析儀，同時(shí)也可以作為成像系統(tǒng)滿足多種應(yīng)用需求。Phenom ParticleX 圖像分辨率為 10 nm，可以對斷口表面、單個(gè)顆粒和表面缺陷（如氣孔、夾雜物和微裂紋）進(jìn)行高分辨率成像。

總結(jié)

Phenom ParticleX 在 3D 打印粉末綜合評估方面，可以自動(dòng)獲取金屬粉末的顆粒粒度分布、形貌和雜質(zhì)等信息，具體包括：

· 顆粒粒度分布 – 最全面的顆粒粒度范圍

· 顆粒形貌分析 – 多種測量方法可供選擇

· 雜質(zhì)顆粒檢測 – 可檢測出數(shù)千顆粒中夾雜的微量雜質(zhì)顆粒

· 高分辨率成像 – 10 nm 分辨率

激光衍射法不提供形態(tài)參數(shù)，而基于 SEM 的圖像分析，Phenom ParticleX 在自動(dòng)化采集顆粒形態(tài)信息方面極具優(yōu)勢，有助于對多次打印回收利用的粉末進(jìn)行分析和追蹤。