中国粉体网讯 3D打印（增材制造）作为区别于传统”去除型”加工的新型制造技术，以其简易的制造工艺、较低的生产成本和较短的研发周期，备受人们关注。目前，金属3D打印技术已经开始从研发阶段逐步向产业化发展，金属粉末的成本及其性能成为制约该产业快速健康发展的瓶颈之一。
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3D打印对粉末的要求
金属粉末是金属3D打印工艺的原材料，直接用于金属3D打印技术各项生产研究，其性能很大程度上决定了最终的成型效果，因此高质量的粉末对于金属3D打印技术的发展至关重要。如今广泛认可的对于金属粉末性能的基本要求有纯净度高、氧含量低、球形度好、粉末粒径细小、粒径分布窄、具备良好的可塑性和流动性及利于循环利用等特点。
1、粉末纯度
在金属粉末的制备过程中，由于制粉工艺的缺陷，会带入一些杂质。这些杂质的存在会改变所制备零件的特性甚至致使打印无法进行。金属粉末的纯净度直接影响到3D打印的成形质量。一般来说，粉末中的夹杂物会提高颗粒硬度，降低粉末成型性能，对材料韧性造成不良影响。在SLM和EBSM工艺中，若粉末中含有杂质，则在烧结成形过程中杂质可能会与基体金属粉末发生化学反应，使得3D打印无法进行或者改变成型零件的属性。
因此，粉末中的杂质成分和夹杂应严格控制在一定范围内，保证得到高质量的零件。
2、粉末颗粒形状
在金属粉末制备过程中，粉末颗粒会随着制备方法的不同而呈现不同形状，如球形、近球形、多角形、多孔海绵状、树枝状等。粉末的颗粒形状直接影响到粉末的流动性、松装密度，进而对所制备金属零件的性能产生影响。
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一般来说，球形或者近球形粉末具有良好的流动性，在打印过程中不易堵塞供粉系统，能铺成薄层，进而提高3D打印零件的尺寸精度、表面质量，以及零件的密度和组织均匀性，是作为3D打印的首选原料形状类型。
3、粉末粒度及其分布
从理论上来讲，粉末粒度越小，比表面积越大，进而使得烧结驱动力增大。因此，粒度小的粉末有利于烧结的顺利进行；此外，细小的粉末颗粒之间空隙小，相邻两铺粉层之间连接紧密，有利于提高烧结致密化和烧结强度。细颗粒填充到大颗粒的空隙中，提高了粉末的堆积密度，以及打印零件的强度和表面质量。但是，如果细颗粒过多，易造成铺粉厚度不均匀，在烧结过程中容易出现“球化”现象。
研究发现，在激光净成型技术中，粉末粒径过大时，喷嘴处粉末输送流的发散角显著增大，反弹飞溅严重，且粉末利用率降低；此外，粒径过小的超细粉由于直径太小，粉末容易团聚，导致输送性能差，影响3D打印的持续进行。大量实验表明，粗细粉末颗粒以恰当的配比混合，才能得到良好的3D打印效果
4、粉末的循环使用
在现有3D打印用粉末制备技术水平下，微细粉的制备成本较高，其价格约是传统粉末冶金用粉的10倍。因此，从节约原材料、降低生产成本的角度来说，粉末循环使用的研究具有重要的意义。
5、粉末的工艺性能要求
粉末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。
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。
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粉末的流动性是粉末的关键性能之一，粉末的流动性直接影响SLM过程中铺粉的均匀性和LENS过程中送粉的稳定性。粉末流动性太差，在混合时容易粘附、抱团，无法将其混合均匀，容易造成粉层厚度不均，扫描区域内各部位的金属熔化量不均，使成形制件内部组织结构不均，影响成形质量；而高流动性的粉末易于流化，沉积均匀，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匀致密化。
6、粉末的其他性能
在EBSM工艺中，粉末形貌以及导电性能对成形过程的稳定实现具有重要的影响。研究发现，在EBSM成形过程中，电子束轰击导致球形粉末偏离原来位置，或者电子束轰击使得金属粉末带电，成型舱内出现类似“沙尘暴”现象，从而导致零件缺陷或者无法进行后续打印工作。
需要解决的问题和待改善的关键技术
目前而言，国内金属3D打印仍处于商业化、产业化初级阶段，未来3D打印技术需要解决的问题和待改善的关键技术包括：
（1）目前，国内3D打印用金属粉末主要以气雾化和旋转电极雾化法为主，部分工艺如等离子球化技术等则大多处于研发状态，不具备批量化、规模化生产的能力；
（2）粉末质量如粉末粒度、氧含量、球形度、干洁度等仍落后国外先进水平，部分3D打印工艺所需细粉（20-45μm）仍依赖进口，高端金属基粉末缺乏核心竞争力，低成本细粉的开发仍是国内3D打印领域亟待解决的问题；
（３）国内3D打印领域研究及应用重点相对集中在钛及钛合金、不锈钢、高温合金等体系，应展开更多合金体系的研发，并建立健全3D打印金属材料成型及处理工艺、寿命预测、性能评价等数据库；
（4）国内3D打印产品存在着表面粗糙、组织缺陷较多、残余应力较大、蠕变和疲劳性能不足等问题，在构件的关键部位难当重任；
（5）国内技术所制备粉末存在不同批次粉末质量不稳定，与进口设备不匹配，制粉设备及工艺技术仍待提高；
（6）以钛合金细粉为代表的粉末价格居高不下，昂贵的价格一定程度上制约了3D打印技术的应用和推广，因此，3D打印未熔粉末的回收及循环利用研究有着重要的意义。
总结
3D打印作为一种颠覆性的零部件制造技术近年来得到了高度重视和快速发展。然而，金属3D打印由于存在原料粉末成本高、打印效率低、热应力变形、铸造组织和宏观缺陷等问题，其应用进程远落后于其他材料体系。因此，完善及开发金属粉体的制备工艺和打印工艺是今后研究的重点。
为给3D打印企业资源有效整合、实现“产学研”紧密结合提供一个良好的交流平台，中国粉体网旗下粉体公开课平台将于2021年5月18日举办“2021首届3D打印粉体材料制备及检测技术网络研讨会”。考虑到粉末制备及打印工艺的重要性，我们邀请到了北京科技大学的曲选辉教授，曲选辉教授将给大家带来题为《金属近球形粉末低成本制造与高效打印成形新技术》的报告。届时，曲选辉教授将向大家介绍团队自主研发的近球形金属粉末改性制备新技术及粉末喂料打印新工艺。
专家介绍：
曲选辉，北京科技大学教授。2004-2014年任材料科学与工程学院院长，2008-2020任新材料研究院院长。现任国务院学位委员会学科评议组成员，中国新材料产业技术创新战略联盟副理事长，中国材料研究学会常务理事，中国金属学会粉末冶金分会主任委员。《粉末冶金技术》主编，《FrontiersofMaterialsScience》、《PowderMetallurgy》等10余杂志编委。主要从事金属材料、粉末冶金专业方向的教学与研究工作，先后主持国家基金、973、863、重点研发计划等国家项目40余项，发表SCI论文400余篇，出版著作5部，获授权发明专利150余项。曾获国家教学成果一等奖1项、国家发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项，省部级科技成果奖20余项。获“全国优秀科技工作者”、“北京市优秀教师”、“宝钢优秀教师特等奖”、“中国粉末冶金贡献奖”等荣誉。1999年入选“长江学者”特聘教授，2000年获国家杰出青年科学基金。
参考来源：
[1]高超峰等.3D打印用金属粉末的性能特征及研究进展
[2]李安等.3D打印用金属粉末制备技术研究进展
[3]程玉婉等.金属3D打印技术及其专用粉末特征与应用
（中国粉体网编辑整理/山川）
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