增材制造也稱3D打印,，是一種潛在革命性的制造技術(shù),。通常涉及按嚴格的技術(shù)規(guī)范“打印”復(fù)雜組件，具體方法是逐層堆積粉體,，然后選擇性地熔結(jié),。控制粉體性能對于過程效率和成品質(zhì)量至關(guān)重要,。當形成粉層時,，粉體流動和裝填方式?jīng)Q定了該性能的各個方面。原料的多變性會導(dǎo)致松裝密度不一致,、粉層不均勻,、抗張強度低以及表面光潔度差。
AM對工業(yè)的影響程度取決于高速精密機械的發(fā)展,，以及是否能辨別和穩(wěn)定供應(yīng)滿足此類機械嚴格要求的粉體?，F(xiàn)在，關(guān)注重點日益轉(zhuǎn)向粉體本身,，以及如何以智能,、可靠的方式優(yōu)化它們。粉體特性表征在支持這一進程方面起到關(guān)鍵作用,，而確實能夠測量與AM性能直接相關(guān)的屬性的技術(shù)也非常重要,。辨別哪些粉體屬性能促成均勻、可重復(fù)的粉體性能,，這有助于優(yōu)化新處方,，避免因評估樣品在過程中的適用性而花費大量金錢和時間，幫助減少成品的不合格率,。
現(xiàn)有技術(shù) (例如,，休止角測試、漏斗流速和松裝密度測量) 的作用顯而易見,。但這些方法并未融入現(xiàn)代技術(shù)的優(yōu)勢,，有時敏感度較差，無法表征過程性能間微小差異,。
FT4粉體流變儀™是一種通用型粉體測試儀,，可自動、可靠且全面地測量粉體材料特性,。這些信息能夠與加工經(jīng)驗相聯(lián)系,，以提高加工效率，幫助實現(xiàn)質(zhì)量控制。FT4于測量動態(tài)流動特性,，同時集成了剪切盒,，能夠測量密度、可壓性和透氣性等整體屬性,。
量化原料批次間差異
AM機器在運作誤差極小,，意味著原料批次間差異可能導(dǎo)致產(chǎn)品性質(zhì)和質(zhì)量的顯著差異。在原料進入加工過程之前篩選每個批次,，可確保避免性能的差異,。但是，傳統(tǒng)的粉體特性表征手段往往無法識別導(dǎo)致性能差異的細微屬性差異,。
同一供應(yīng)商提供的三批不銹鋼粉體在AM過程中的性能具有顯著差異：金屬粉體A和金屬粉體B都呈現(xiàn)可接受的特性,，而金屬粉體C經(jīng)常引起堵塞和沉積不均，繼而產(chǎn)生不合格的成品,。三種樣品的粒徑分布幾乎相同,，在休止角和霍爾流動性測試中表現(xiàn)出相似的特性。
在整體測試中,，透氣性測試的結(jié)果更有區(qū)分度,。與其它樣品相比，金屬粉體C粉床產(chǎn)生的壓降明顯較高,，說明金屬粉體C的透氣性比粉體A和B低得多,。
在任何需要移動粉體的操作中 (特別是當驅(qū)動力是重力時)，透氣性起到非常重要的作用,。氣體必定占據(jù)顆粒間空隙,，這些氣體越容易通過粉體，粉體就越易于傾倒,，也越容易釋放傾倒過程中包覆的空氣,。在沉積過程中低透氣性會導(dǎo)致粉體中夾帶的空氣量增加，而在AM應(yīng)用中試圖充填或沉積密度相同的粉體時,，這通常會導(dǎo)致粉層的不均勻,，成品出現(xiàn)缺陷，甚至可能需要報廢,。
新,、舊原料間過程相關(guān)的差異
粉床和激光沉積技術(shù)都需要使用足夠量的粉體，但并非所有粉體都能制成成品組件,。粉體的重復(fù)使用可大大降低原材料的成本,，減少廢棄物的總量。但重復(fù)使用需要仔細評估粉體在通過AM機后特性的變化程度,，以及是否可以進一步加工而不影響成品組件的質(zhì)量,。
使用FT4動態(tài)方法對一系列不同新,、舊原料比的粉料進行評估，確定舊粉與新粉相比,，其關(guān)鍵特性是否有所改變，如果改變,，應(yīng)采取何種措施將粉體恢復(fù)到可重復(fù)使用的狀態(tài),。
新、舊粉體的結(jié)果對比顯示,，加工過程使得粉體的流動能量顯著增大,。這表明舊粉無法像新粉一樣自由流動，因此不太可能在加工中呈現(xiàn)良好性能,。
AM機中出來的粉體可能包含來自熔池的大顆粒飛濺物,，其化學(xué)性質(zhì)也可能發(fā)生變化，例如表面粘附污染物,。因此,，通過實驗確定篩分舊粉是否能將其恢復(fù)到流動能量可接受的狀態(tài)。而篩分可以提高粉體流動性,，但無法將其恢復(fù)到新粉測得的原始流動能量值,。
通過完成更多的實驗，觀察是否可以將舊粉和新粉混合在一起,，形成可接受的給料供后續(xù)加工,。75% 的新粉與25%的舊粉混合后，其流動性與新粉接近,，并具有相對較好的性能,。在所有混合樣品中，50:50混合物的BFE高,，表明流動性不隨新粉含量線性變化,。
這些結(jié)果突顯了動態(tài)測試檢測粉體細微差異的能力，而這些差異與粉體在AM機中的性能直接相關(guān),。因此,，動態(tài)測試有助于AM中的金屬粉體成功優(yōu)化和生命周期管理，這是其它粉體流動測試儀器所無法企及的,。
不同供應(yīng)商和制造方法的影響
增材制造的粉體原料可使用不同方法制造,，每種方法都可生成中值粒徑和粒徑分布相似的粉體，每家制造商有自己的等級劃分和驗收標準,。然而,，制造方法也會影響粉體的其它特性，導(dǎo)致在整個過程中表現(xiàn)出不同性能,，而制造商自己的驗收測試不足以辨別這種情況,。
使用FT4評估三種中值粒徑和粒徑分布相似的粉體原料(其中兩種由不同供應(yīng)商使用相同方法制造,，兩種由相同供應(yīng)商使用不同制造方法制造)，嘗試確定不同的供應(yīng)商或制造方法是否會影響過程中的粉體性能,。剪切盒測試 (上圖) 區(qū)分了制造方法變化引起的差異,，即方法1比方法2產(chǎn)生的剪切應(yīng)力要低，說明可能存在客戶控制范圍之外的變量產(chǎn)生影響,，突顯了定期,、密切相關(guān)的原材料評估的必要性。但是,，僅憑剪切測試,，兩家不同制造商使用相同方法生產(chǎn)的樣品被歸為同類產(chǎn)品。
動態(tài)測試 (下圖) 不僅能突顯更改制造方法引起的變動,，還能辨別兩家不同供應(yīng)商樣品的差異,。與供應(yīng)商1的樣品相比，供應(yīng)商2的樣品的BFE和SE更高,，這表明動態(tài)應(yīng)用 (例如,，充填和分層) 中粘性更強。特性變化表明更換供應(yīng)商可能對工藝性能有重大影響,，在作出更換決定時,，除了財務(wù)或物流的效益之外，還要考慮這方面的影響,。
這些結(jié)果表明,，使用多變量方法進行相關(guān)和全面粉體特性表征的必要性，尤其是注重精密,、準確層沉積的AM過程,，因為只有使用特性合適且一致的粉體才能保證這一點。
添加劑對原料特性的影響
通常使用不同的添加劑處理原料,，以具備有效的特性,，例如，著色,、助流或?qū)崿F(xiàn)成品的特定功能,。然而使用不同的添加劑會對原料特性及應(yīng)用的終性能造成不同影響。量化不同添加劑對處方特性的影響有助于優(yōu)化處方和過程,，適應(yīng)添加劑的特性,，使得性能維持在可接受的水平。
SLS操作中使用三種聚甲醛 (POM) 樣品,，其中兩種包含不同添加劑 (一種顏料和一種流動助劑)。據(jù)觀察,，三種處方從儲料斗到燒結(jié)機中具有不同的流動特性,，導(dǎo)致成品的屬性和質(zhì)量變化,。雖然已采用一系列傳統(tǒng)的表征手段，但它們不能區(qū)分樣品間的差異,。
與另兩種樣品相比,，含流動助劑的樣品所產(chǎn)生的基本流動能(BFE) 較高，需要更多能量才能推動FT4槳葉在粉床中上下行徑,。在這種情況下,，高BFE通常與更自組的粉體其均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)，與自組性能不佳的粉體相比,，可借助槳葉運動移動更多的顆粒。
在低固結(jié)應(yīng)力的條件下,，含流動助劑的樣品在粉床內(nèi)的壓降大,，說明流動性較好的材料其透氣性較低，并具有更致密的內(nèi)部排列狀態(tài),。但是,，隨著固結(jié)應(yīng)力增大，雖然所有三種樣品的壓降都增大了,，但純聚甲醛和含顏料的樣品相對于含流動助劑的樣品變化更大,。
對固結(jié)應(yīng)力變化的敏感度低是內(nèi)部排列有效的粉體的另一個標志，原因是受到擠壓時,，可供顆粒逃逸的氣孔更少了,。含顏料的樣品的透氣性變化程度大，這與其粉體中包覆空氣量多的情況相符,，因此可作為該流動模式下粘性較強的一個標志,。
結(jié)論
粉體流動性不是材料的固有屬性，而是粉體在特定設(shè)備中以其所需要的方式流動的能力,。成功的加工需要粉體與過程的匹配,，相同的粉體在一個AM過程的單元操作中表現(xiàn)良好，而在另一個過程中卻不佳的情況并不罕見,。也就是說,，需要多種特性表征方法，得出的結(jié)果能夠與過程評估相聯(lián)系,，確定哪些參數(shù)對性能的影響大,，從而構(gòu)建對應(yīng)于可接受的過程行為的設(shè)計空間。
這些研究突顯了FT4多變量方法檢測粉體細微差異的能力,，而這些變化與粉體在AM機器中的性能直接關(guān)聯(lián),。因此，F(xiàn)T4有助于對AM中的金屬粉體成功優(yōu)化和生命周期管理,，這是其它測量技術(shù)所無法企及的,。還有一點,，即使是較為現(xiàn)代化的技術(shù) (如粒徑分析和剪切盒測試)，也無法保證能辨別此類過程相關(guān)的差異,，因此強調(diào)使用多種技術(shù)來*描述粉體在給定過程中的特性是非常有必要的,。
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