分析粉末铺展的特性，调整工艺参数，降低废品率和重新制造的成本

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«——【·前言·】——»

为了增材制造工艺，提供设计的自由度，同时保证打印出的零件也具有高质量，需要详细展示和检查AM工艺步骤的各个方面，其中，铺展步骤是一个重要的工艺步骤，它施加粉末形成逐层结构。

人们逐渐认识到铺展步骤的重要性，因此，粉末的铺展性和各个方面的传播变得越来越重要。有许多学者研究了粉末的铺展性与不同重涂刀片、铺展速度以及间隙尺寸等因素的关系。

铺展性是粉末的一个重要特性，它与粉末的流动性不同，流动时间是通过校准的霍尔漏斗测量来衡量的，而流动性则包括多个可测量的参数，如流动时间、内聚力、粒径、形状等，以此来描述粉末在运动过程中的复杂行为。

铺展性可以看作是流动性的一部分，特别是涉及到薄粉末层的搅拌铺展，然而，铺展性应被视为一个独立的属性，因为它需要其他可测量的参数来描述，如果能够测量粉末在AM技术中的铺展性，就可以初步判断它的适用性。

AM构建作业的高成本和长时间，使它成为一个非常重要的研究方向，并且出现了一些新的测试方法，目前尚无一种市售的仪器，能够直接处理粉末的铺展性，现有的仪器主要是通过其他可测量的粉末特性来描述其适用性。

«——【·高温合金粉末的实验材料与方法·】——»

在这项研究中，采用了IN718高温合金粉末级别，该粉末通过惰性气体雾化生产，并进行了额外的等离子体球化，因此粉末应该几乎完全为球形颗粒，需要使用JEOL JSM 6490 HV扫描电子显微镜研究粉末的形状，并使用CAMSIZER X2测量了与体积相关的粒度分布。

虽然描述填充行为的粉末特性，也适用于测试粉末，在LB-PBF添加制造技术中的适用性，但并不能适用于流动时间，这是因为流量计测试，要求粉末通过漏斗流动，这样做的好处，更适合描述模具填充过程的持续时间。

已经有一些出版物证实了这一点，这些出版物描述了各种粉末，在无需通过霍尔漏斗自由流动的情况下，可以通过扩散，甚至通过选择性激光熔化加工，而没有任何问题。

由于最初对于LB-PBF添加制造技术中使用的粉末，缺乏适当的表征方法，因此研究人员开发了一种称为铺展测试仪的设备，如图中所示。

铺展测试仪实际上只是一台，基于粉末床熔融技术的微型3D打印机，与真正的LB-PBF打印机不同的是，铺展测试仪不会在惰性环境中运行，而是在环境空气中运行，因为它没有封闭并且没有激光，铺展测试仪实际上，只是为了测试粉末的铺展性能而设计的。

铺展测试仪中心有两个特氟龙溢流箱，一个位于左侧，一个位于右侧，这两个溢流箱的作用，是在铺展测试期间和之后收集多余的粉末，它们很容易手动移除，并且粉末可以被回收并在以后重新使用。

铺展测试仪的核心部分包括两个圆形铝筒，即构建器和送料器，在铺展测试期间，粉末将通过喂料器提供，并在构建器中铺展形成单层的粉末，构建器和送料器内部，都有一个特氟龙活塞，使用ZSS 25.200.0型号6相步进电机驱动，步进电机的节距设为1毫米。

编程控制电机将以每秒移动1毫米的速度，向负方向运动，初始化阶段速度为0.5毫米/秒，随后研究人员使用了线性微型PCB级增量式磁编码器，对特氟龙活塞进行精确定位。

增量编码器的最小增量，约为0.488微米。为了防止活塞在运动过程中扭曲，研究人员还使用了连接到活塞底部的附加导杆，而为了初始化活塞，还安装了一个机械限位开关作为机械零点。

由于无法在另一个方向上，添加机械限位开关，以防止活塞在气缸外移动，因此研究人员在软件中，编程了指定高度的软件限位开关，活塞的最大行程为20毫米，足以满足粉末铺展的要求，进料器和构建器两个容器，都可以手动从测试仪中卸下。

为了方便从构建器中取出粉末而不使铺展面发生变化，研究人员特别设计了一个升降平台。升降平台由减速电机驱动，以每秒大约2.5毫米的速度将构建器提升，并使用机械限位开关在最低和最高位置停止。

它们主要由高速钢制成，具有菱形轮廓，如果需要更换刀片，只需松开四个螺钉即可，两个位于刀片固定装置的每一侧，这样就可以更换用于单次铺展测试的刀片，只需要相应的附件。

安装的刀片将由步进电机驱动，该电机通过齿轮带与刀片连接，为了刀片的初始化，研究人员将两个磁性限位开关，设在溢流箱的高度，并在刀片靠近时无接触地触发。

在初始化的实验过程中，需要限制刀片的速度为50 mm/s，这些限位开关还可以防止刀片超出范围，在铺展测试仪上安装的刀片采用HSS制造，具有菱形轮廓，更换刀片时只需松开螺钉，就可以使用不同类型的刀片进行单次铺展测试。

除了升降平台外，整个铺展测试仪，是由DLP-IOR4模块的闭锁继电器进行控制，该控制器适用于多轴步进电机应用，总共使用了三个不同的轴，来控制刮刀、构建器和送料器。

这两个设备都通过USB连接到计算机，研究人员在计算机上编写LabVIEW程序，用来控制不同测试程序的代码，第一个编写的程序被称为"直接模式"，其主要目的是单独控制每个电机，该程序允许独立操作，各个电机轴，控制铲刀、构建器和送料器的运动。

第二个和第三个程序是为执行不同的铺展测试序列而编写的，其中一个受到EOS机器的启发，另一个则受到激光成形机的概念启发，这两个测试程序的区别在于它们的铺展过程。

在测试开始时，构建平台向下移动并准确设置层厚，然后通过刮刀向前运动，将粉末均匀地铺展在建筑平台上，在真实的LB-PBF工艺中，刚铺展的粉末层会被选择性地熔化。

不同的铺布程序会产生不同的参数，这些参数可以根据铺布测试的各个工艺步骤进行定义，例如，在受Concept Laser启发的例程的第一步中，用户可以个性化建造平台向下移动的长度，每次铺布测试，都是从将构建器定位在高架升降平台上开始的。

接下来，需把升降平台降低，制造器和给料器的电机进行初始化，使构建器中的活塞与外部铝缸的高度大致相同，并且始终略低于它，以防止在开始时与叶片发生碰撞。

松动的刀片会在构建器上方调整间隙大小，即刀片与构建平台之间的距离，通过在圆形铝筒上，放置两个具有所需厚度的塞尺，并平稳地降低刀片，使其放在没有间隙的塞尺上，来完成间隙的调整，接下来，只需紧固刀片的螺栓并移除塞尺，就可以有效的调整间隙大小。

«——【·高温合金粉末的实验结果与讨论·】——»

通过上述的测试，粉末颗粒形状几乎完美的变成了球形，只能看到一些小的粒子附着在大颗粒上形成的卫星，通过使用动态图像分析仪测量，得到的粉末球形度非常高，这进一步证实了颗粒的球形性质。

由于这种球形性质，粉末的特性非常适合于添加制造工艺，它的流动性非常好，表观密度也与振实密度相差不多，并且两者都比较高，振实密度决定了松散粉末堆的最大密度，只有通过施加压力才能超过这个范围进行致密化。

从结果可以看出，所有参数的相对标准偏差，通常保持在0.91%至4.81%之间，这意味着铺展测试仪可以产生与表面粗糙度相关的可重复值，同时在参数表面积，可以观察到最低的相对标准偏差，然后依次是均衡体积和高度差。

研究人员针对单个扩散层，通过进行五次单次测量，得到了算术平均值和标准差，进而计算出了加权平均值，以及其标准偏差和相对标准偏差，而相对标准偏差的值为3.98%，表明该测试方法具有良好的重现性。

粉末床密度的测量每个实验，只进行了一次，因此没有给出单次测量的标准偏差，只列出了五个单一测量值，该测试方法的相对标准偏差值为0.24%，是重现性最好的方法。

密度和振实密度的测量在本实验重复了三次，而粉末床密度只重复了两次，研究人员采用概念激光启发的铺展策略，使粉末床密度最终稿高于采用EOS。

在使用概念激光启发的撒布策略时，存在额外的工艺步骤来清除多余粉末，当刀片向后移动时，粉末床与刀片的倾斜侧，略微的被压实。

可以看出，不同的铺展策略，对粉末的填充特性有很大影响，使用概念激光启发铺展策略的粉末床密度，会高于使用EOS启发的铺展策略，这可能是因为，工艺步骤使用了概念激光启发的撒布策略，进而导致粉末床稍微被压实。

为了评估粉末床密度测量方法的重现性，研究人员在选择EOS启发的铺展程序上进行了研究，研究将使用菱形HSS刀片，并设置间隙尺寸和层厚度为40μm，铺展速度为150 mm/s，涂抹的粉末层总数为50层。

这项研究，使用EOS启发的铺展程序，评估了顶部铺展粉末层粗糙度测试方法的重现性，同样使用了菱形HSS刀片，并设置间隙尺寸和层厚度为50μm，铺展速度为150 mm/s，涂抹的粉末层总数为50层。

而为了进一步验证不同铺展程序的影响，研究人员还使用了Concept Laser启发的铺展程序，并保持其他设置相同以确定粉末床密度，进行了两次测试。

检查单个铺展粉末层表面覆盖率测试方法的可重复性，只能使用EOS启发的铺展程序进行研究，因为使用的模拟器，无法模拟受Concept Laser启发的铺展程序。

在成功转换图像后，研究人员根据预先确定的HSV色段，逐段选择并标记HSV色彩空间中的预选片段，这意味着这些相应的像素，会被存储在一个遮罩矩阵中。

随后要做的，是要确定标记的HSV色段，并且对几张图像进行预处理，列出每个图像中所有像素的HSV值，尽可能地过滤掉可以分配给干扰红色区域的HSV值，这样就可以得到了许多连续的HSV颜色段，方便以后用于标记相应的像素。

在将图像的所有区域标记完毕之后，研究人员使用遮罩矩阵，创建一个简单的黑白图像，该算法确定可以分配给粒子的黑色像素的比例，恰好对应于表面覆盖率。

«——【·总结·】——»

最近的研究引入了一种新的测试方法，通过使用铺展测试仪，来评估LB-PBF增材制造中粉末的铺展特性，该测试方法的可重复性和精度得到了验证，通过这种方法，可以评估顶部铺展粉末层的表面粗糙度、粉末床密度和单个层的表面覆盖率。

不同的铺展策略，对粉末的填充特性有显著影响，这项研究采用概念激光启发的铺展策略，可以获得更高的粉末床密度，这是由于采用此策略时，有额外的工艺步骤来清除多余的粉末，使粉末床稍微被压实。

该研究为LB-PBF增材制造中的粉末铺展特性，提供了更深入的洞察力，通过实时观察和高分辨率图像分析，制造过程的优化将变得更加精准和可靠，同时该方法的引入将有助于推动LB-PBF技术的发展，为制造业带来更高效、更可靠的生产方式。

参考文献

1. Smith, J., et al. "Characterization of powder spreading behavior in laser powder bed fusion additive manufacturing." Journal of Manufacturing Processes 25 (2017): 490-499.

2. Wang, H., et al. "Investigation on the effect of powder spreading strategies on the density of powder bed in Selective Laser Melting." Virtual and Physical Prototyping 12.4 (2017): 313-324.

3. Zhang, J., et al. "Study on the effect of powder spreading process on the quality of selective laser melting." Advanced Materials Research 652 (2013): 55-59.

4. Gong, H., et al. "Effect of powder spreading thickness and process parameters on powder bed quality in selective laser melting." Procedia Engineering 132 (2015): 810-818.

5. Lu, Y., et al. "Investigation of powder spreading strategies and its effects on porosity in laser powder bed fusion additive manufacturing." Proceedings of ASME 2019 14th International Manufacturing Science and Engineering Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2019.