增材制造常被稱作3D打印，是一種從無到有逐層構建三維結構或組件的制造工藝。其原理是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末、塑料等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成形，制造出實體產品。目前增材制造應用行業(yè)日益增多，包括航空航天，汽車制造，消費電子，生物醫(yī)療，工業(yè)設備等。

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的組件在性能上高度依賴于其基本的微結構，而微結構又取決于原材料（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致組件成品的性能不一致。因此，要生產出質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鍵特性，因為它們會影響粉末的流動和填充度。而在這些工藝中，材料的化學成分同樣重要，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。

晶體結構是金屬粉末的另一個重要特性。因為在某些增材制造過程中，快速加熱?- 冷卻循環(huán)會引起物相變化并產生殘余應力，進而影響組件的疲勞壽命等機械性能。另外，對于增材制造使用的聚合物材料，聚合結構（支化度、結晶度）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，直到制造完成。未熔融粉末將被去除，根據(jù)其狀態(tài)重復使用或回收。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，制造商必須在供應鏈的各個階段對粉末性能進行表征。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鍵分析技術。

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，進而影響生產質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，全球粉末生產商、組件制造商以及機器制造商通常使用激光衍射技術來鑒定和優(yōu)化粉末性能。

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

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、寬度等大小測量結果與圓度、凸曲度（粗糙度）等形狀特征評估結果相結合，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和物理性能，包括強度、硬度、疲勞壽命和耐化學性。

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，與其他技術相比，XRF 還能顯著節(jié)省時間和成本。

X射線熒光光譜儀Zetium

臺式能譜儀一體機Epsilon1

微結構

諸如物相成分、殘余應力、晶粒大小和晶粒取向分布（織構）等微結構特性，也會影響成品組件的化學和機械性能。?

為了分析這些微結構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)。 如需獲取有關材料在各種條件下的織構、晶粒尺寸和殘余應力的更多信息，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構和結晶度。 如要確定聚合物粉末的分子量和分子結構，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防止產品質量波動

·?為采用不同撒布器或耙式設計的機器確定合適粉末

·?優(yōu)化霧化條件以實現(xiàn)所需的粉末特性

·?預測并優(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構

·?確定制造組件的殘余應力、應變和織構

作者：

馬爾文帕納科