??快速成型又稱3D打印，它涉及到的“打印”往往是錯綜復雜的、規(guī)格嚴格的組件，方法是逐層添加粉體，然后選擇性地將其融合在一起?？刂品垠w的特性，對加工效率和最終產(chǎn)品的質(zhì)量都至關重要。粉體的流動和壓實對粉層形成的狀況具有決定性因素，原料差異會導致松裝密度不一致、分層不均勻、抗拉強度低和表面粗糙度差。

　　當以均勻的方式施加極薄的粉層時，快速成型(AM)對粉體的變化十分敏感，它要求原料具備高度的一致性和可重復性。粒徑通常作為一項關鍵質(zhì)量屬性(CQA)，但并不足以作為檢驗原料的標準。事實上，不管是霍爾流動性測量儀，還是Hausner Ratio，單項測試的任何參數(shù)都不足以全面表征粉體特性。本文使用四個案例研究來展示單一參數(shù)表征的局限性，以及如何利用AM應用中的幾種金屬粉末的流變特性來構建工序內(nèi)的流體特性。在第一項研究中，一批粉體透氣性的顯著降低和特別流動能的顯著增加，清晰顯示出與層間均勻性不良存在關聯(lián)。第二項研究調(diào)查了金屬粉體生產(chǎn)方法和供應商的影響，并揭示為何不能單獨依賴剪切性能來識別影響工藝的特性。同時評估了添加劑對AM用共混聚合物可加工性的影響。結果表明，即使添加劑的用量很少，也會對原料的透氣性和基本流動能產(chǎn)生很大影響。最后一項研究揭示，在采用再生金屬粉末生產(chǎn)部件時，如何利用流變測量結果來確定新料和再生材料的最優(yōu)配混比。這些案例研究展示了現(xiàn)代粉體流變儀偵測與AM加工性能直接相關的粉體細微變化的能力，而傳統(tǒng)的表征方法則無法做到這一點。

　　AM會對產(chǎn)業(yè)前景產(chǎn)生何種影響，取決于高速、精密機械的發(fā)展，以及找到并持續(xù)供應可精確滿足這些機器要求的粉體原料。越來越多的側重點轉向了粉體本身，以及如何以智慧而可靠的方法對其進行優(yōu)化。粉體表征在支持這種工藝以及能可靠測量與AM表現(xiàn)直接相關的屬性測試技術上起著重要作用。確定哪些粉體特性能帶來一致的、可重復的性能，有助于實現(xiàn)新配方的優(yōu)化，而不會在樣本測試過程中，因進行適用性評估而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和時間成本，并有助于減少最終產(chǎn)品不合規(guī)范現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　案例研究1：量化不同批次原料的差異

　　AM機器運行的嚴格公差要求，意味著不同批次原料間的差異可能會導致最終產(chǎn)品各種特性和質(zhì)量的顯著差異。在進入單元操作之前，對各批次進行篩選的方法有助于確保性能的一致。然而，許多傳統(tǒng)的粉體表征技術無法識別各種細微而重要的變化。

　　本項研究評估了同一供應商的三種不銹鋼粉體樣本，它們在AM工藝中表現(xiàn)各異。金屬粉體A和金屬粉體B的表現(xiàn)均可接受，但金屬粉體C經(jīng)常造成堵塞和不良沉積，并導致最終產(chǎn)品不合格。這三種樣本的粒度分布幾乎完全相同，休止角和霍爾流動性測量儀測試結果也十分接近。

　　使用粉體流變儀進行的測試凸顯了各樣本間的多項差異，這些差異與在操作中觀察到的特性有關。基本流動能(BFE)量化了在非重力強制流(動)中實現(xiàn)粉體位移所需的能量，如粉體在螺桿輸送機或混料機中的流動，即在有約束的環(huán)境中粉體流動所受的阻力。它是在葉片從測試容器頂部穿過樣本，貫穿到底部時測得的。特別流動能(SE)則利用葉片的向上運動來評估粉體在無約束)環(huán)境下的流動阻力，并根據(jù)粉體質(zhì)量進行了歸一化。在這個實例中，SE清楚地區(qū)分出金屬粉體C，其較高的SE值表明了更高的機械咬合和摩擦，說明存在堵塞和其他流動問題(圖1)。

圖1 不同批次間SE的變化

　　金屬粉體C還出現(xiàn)顯著高于A和B的壓降，表明其透氣性大幅下降。透氣性對于需要移動粉體的各種操作具有極大影響，尤其是在依靠重力推動時，更是如此。因此，當AM應用要求粉體均勻沉積時，低透氣性可能會引起層間均勻性不良，導致最終產(chǎn)品缺陷。

　　案例研究2：不同供應商和制造方法的影響

　　快速成型的原料可以通過不同方法產(chǎn)生，每種生產(chǎn)方法都可獲得具有類似粒徑和粒度分布的粉體，每個廠家都有自己的等級和驗收標準。但是，粉體的制造方法可能會改變未被這些驗收測試確定，但卻會在AM工藝中導致性能差異的其他特性。使用粉體流變儀對三種原料粉體進行了評估，剪切盒測試確定了制造方法變化造成的差異，這說明客戶無法掌控變量的潛在影響，并表明應對原材料進行敏銳的定期評估。

　　案例3：添加劑對原料特性的影響

　　可在原料中加入添加劑以提高最終產(chǎn)品的功能。然而，這些添加劑也會影響原料的特性及其在給定單元操作中的表現(xiàn)。若能對不同添加劑影響混合物特性的程度進行量化，將能實現(xiàn)對混合物本身以及工藝過程的優(yōu)化，這樣即可保持添加劑優(yōu)勢，又無需犧牲加工性能。

　　在選擇性激光燒結(SLS)加工中，選用了三種聚甲醛(POM)樣本，其中兩種包含不同的添加劑(顏料和流動性添加劑)。觀察到三種配方從儲料斗進入燒結機時的流動表現(xiàn)各異，從而導致了最終產(chǎn)品性能和質(zhì)量的差異，各種傳統(tǒng)粉體測試技術未能確定各個樣本的差異，因此采用粉體流變儀進行了進一步測試。

　　含流動性添加劑的樣本產(chǎn)生的BFE值高于其他兩種樣本，因而粉體流變儀葉片需要更多的能量穿過樣本。在本案例中， BFE值高，表明松裝材料堆積的更密實，同時還表明，流動助劑的添加會使材料更易于自由流動。這個樣本還在低固結應力下產(chǎn)生最高的壓降值，顯示透氣性下降，以及進一步增強了樣本的堆積密度。然而，隨著固結應力的增大，上述所有三種樣本的壓降均出現(xiàn)增大，與含流動性添加劑的樣本相比，純POM樣本及含顏料的樣本出現(xiàn)變化的程度要高得多(圖2)。

圖2 添加劑對POM透氣性的影響(表現(xiàn)為壓降)

　　案例4：新料與再生材料在工藝相關表現(xiàn)上的差異

　　AM工藝會消耗大量粉體，但并非所有原料都會成為成品部件的一部分。原料的重新利用為大幅度降低原材料成本和總體浪費水平提供了極大的潛力。然而，在重新利用前，應進一步評估使用過的粉體受AM機器影響的程度，以及是否可以重新利用而不影響成品部件的質(zhì)量。

　　對新料和再生粉體的測試結果顯示，再生粉體的基本流動能顯著上升(圖3)，這表明再生粉體的自由流動性低于新料，因此，工藝表現(xiàn)不太可能一樣好。從AM機器回收的粉體可能包含來自熔池的飛濺物，包括較大的粒子，或者粒子表面可能還受到污染。因此，通過實驗來決定，對再生粉體進行篩選能否使其流動能重新達到可接受的水平，但最終發(fā)現(xiàn)，篩選作用效果甚微。

圖3 應用粉體流變學對再生材料的使用進行優(yōu)化

　　總結

　　這些案例研究說明，現(xiàn)代粉體流變儀有能力檢測出與AM工藝性能表現(xiàn)直接相關的粉體性能的細微變化。因此，可以應用粉體流變學對AM用粉體的成功優(yōu)化和生命周期管理提供支持。它還揭示，為何需要采用多元方法才能完全選定符合給定工藝的粉末材料。

　　粉體流動性并非某種固有的材料屬性，它更可以理解為粉體材料在特定設備中以預期方式流動的能力。成功的加工工藝需要粉體材料與工藝進行很好的匹配，同一種粉體材料在某種單元操作中表現(xiàn)良好而在另一種當中表現(xiàn)不佳的情況并不少見，這意味著需要多種表征方法，將來自各種表征方法的結果與工藝流程結合，創(chuàng)造出對應于可接受的工藝特性的參數(shù)設計空間。