LPBF金屬3D打印鋪粉過程高速攝像，最終證明三峰PSD更適合！

優化粉末床的質量對于提升金屬3D打印零件的性能至關重要。3D打印技術參考注意到，研究人員借助高速攝像觀察了粉末粒度分布對鋪粉過程中的粉末擴展機制和粉末床特性的影響，進而提出了一種更好的粒度分布（PSD）來提高鋪粉過程中的粉末床密度和均勻性。

原位觀測鋪粉過程示意圖

金屬粉末層鋪得均不均勻，是影響金屬3D打印品質的關鍵因素之一。已經有很多研究人員探討過在鋪粉過程中優化粉末床質量的方法。例如降低鋪粉的速度可以提高粉末床的密度，但會造成生產效率降低；如果增加層厚、壓實，這樣也可以增加粉床密度，但粉層太厚很有可能導致燒結不徹底，會導致產生打印缺陷。因此，僅僅調整鋪粉參數并不是穩定有效的提升LPBF金屬3D打印工藝粉床質量的方式。

圖鋪粉過程觀察裝置示意圖，包括分段粉末床和觀察點

此外，也有研究探討了鋪粉過程中刮刀角度、超聲輔助送粉等方法，但這些手段的實際效果比較有限，往往受制于粉末材料本身的特性，如顆粒尺寸、形貌以及流動性等條件，因此，在不改動設備的前提下，提升粉末床質量最為有效的途徑在于，優化粉末自身的性能，重點包括粒徑分布、顆粒形態及流動特性。

對于粒徑超過20微米的顆粒而言，粉末粒度分布（PSD）已經被看作是影響粉末床密度的關鍵因素，它比顆粒形狀以及流動性都更加重要。所以，在粒徑大于20微米的粉末當中，優化粒度分布，是改善LPBF粉末床質量的可行辦法，不需要去改變工藝參數或者設備。

這項研究利用原位觀察以及PIV分析，來展現粒度分布對擴散機制以及粉末床特性的影響，在進行評估時選取了四種PSD類型，分別是單峰、雙峰、三峰，還有原始PSD，依據這些定制的粒度分布，研究鋪粉過程中粉末床截面區域的顆粒分離情況。最終，結合原位觀察以及PIV分析的結果，來探討PSD、分離行為和傳播機制之間的聯系。

(a) 304不銹鋼粉末的SEM圖像；(b) 原始粉末粒度分布；(c) 粒子篩分過程示意圖；(d) 基于粒子數量的篩分粉末獲得的準備好的粒度分布

研究發現：

細顆粒（<53 μm）：由于表面積較大且重量較輕而增加了粘結相互作用。

較高比例的中間顆粒（>53 μm）：減輕了這些相互作用。

雙峰PSD： 細顆粒團簇的形成抑制了初始鋪粉區域中粒徑小于53微米的顆粒分離。

三峰PSD：通過增加粒徑大于53微米的中間顆粒比例，實現了細顆粒的均勻分離，通過顆粒對流改善了鋪粉均勻性。

鋪粉過程中粉末擴散的示意圖：（a）所需的粒度分布（PSD）；（b）用單峰PSD顆粒流動行為；（c）具有雙峰PSD的流動行為；（d）三模態PSD的流動行為

粒子圖像測速原位成像顯示，顆粒動能主要在剪切應力區域被消耗，這些區域存在層間速度不匹配的情況。最終他們認為，三峰PSD通過增強顆粒對流促進了細顆粒的均勻偏析，證明了其更適用于粉末床熔融增材制造。

更詳細的研究可見“Influence of particle size distribution on the powder bed quality in the powder bed fusion additive manufacturing process”一文。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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