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如何對(duì) 3D 打印金屬粉末進(jìn)行全面評(píng)估?
什么是 3D 打???
3D 打?。ㄓ址Q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)。
做個(gè)簡(jiǎn)單的比方,小時(shí)候用積木蓋房子,心里先構(gòu)建好房子終的模樣,然后把積木一層一層壘起來,就成了房子的模樣。
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?jī)?yōu)劣zui關(guān)鍵的因素之一。因此,準(zhǔn)確地檢測(cè)和評(píng)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zui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(duì)金屬粉末做全面的評(píng)價(jià)。
飛納電鏡下的金屬粉末
現(xiàn)有金屬粉末的評(píng)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(píng)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(cè)效率高,一個(gè)樣品的檢測(cè)時(shí)間只需要數(shù)分鐘(不含樣品制備時(shí)間)。
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· 粒徑范圍廣,可以檢測(cè)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(cè)準(zhǔn)確度有限:兩個(gè)小顆粒粘附到一起時(shí),會(huì)被識(shí)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(zhǎng)條形顆粒和球狀顆粒,激光粒度儀在測(cè)量粒徑時(shí),統(tǒng)一把顆??闯闪饲蛐?。
· 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(duì)相同粉末采用兩種不同技術(shù)分析的結(jié)果對(duì)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(duì)顆粒的圓度、長(zhǎng)徑比等形貌特征進(jìn)行評(píng)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(cè)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(shí)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(cè)效率低的問題。
應(yīng)用案例
1. 按粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì):
對(duì)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(duì)應(yīng)的顆粒粒度分布。
ParticleX 可以測(cè)量每個(gè)顆粒的大直徑、小直徑、周長(zhǎng)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(duì)龐大的顆粒或夾雜物數(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(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。利用顆粒查看器,用戶可以輕松地對(duì)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(shí)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(duì) 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(duì)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(píng)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 – 全面的顆粒粒度范圍
· 顆粒形貌分析 – 多種測(cè)量方法可供選擇
· 雜質(zhì)顆粒檢測(cè) – 可檢測(cè)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)信息方面具有優(yōu)勢(shì),有助于對(duì)多次打印回收利用的粉末進(jìn)行分析和追蹤。