1 微球的均一性控制的重要性

3D打印，也称为增材制造（Additive Manufacturing），是一种制造技术，通过将数字化的三维模型切片并逐层构建，从而创建物体的过程。传统的制造技术通常是通过去除材料来制造物体，例如铣削或车削，在此过程中，通过从块状原料中去除多余材料来形成所需形状。而在3D打印中，则是通过逐层添加材料来建立物体。这个过程是逐层堆积材料，每一层都依据设计的三维模型进行精确控制。

3D打印材料是用于3D打印过程中的原始物质，它们在3D打印机中被加工、堆叠或固化，构建出最终的三维物体。这些材料以不同的形式存在，包括固态、粉末、液态或丝状。3D打印材料的粒度是影响打印质量和成品表面质感的重要因素之一。不同类型的3D打印材料（如塑料、金属、陶瓷等）具有不同的颗粒大小和分布范围，这直接影响到打印时的均匀性、强度以及最终成品的外观。

粒径的重要性可以概括如下：

粉末堆积密度：优化的粒度分布提高了堆积密度。大的颗粒加上合适百分比的小颗粒填充间隙可以实现高的堆积密度（图1）。高堆积密度与生产高质量产品和降低产品缺陷有关。 

图1堆积密度(f)与小颗粒(s)和大颗粒(L)混合状态关系图

表面积：较小的颗粒比较大的颗粒具有更大的单位体积表面积。这可能会使颗粒更容易被氧化。在激光熔化过程中，粉末氧化物被带入熔池中，将马兰戈尼对流从向内向离心转变为外向心流，从而产生更多的孔隙。此外，氧化物还可能降低增材AM打印部件的韧性。

流动性：粉末的流动性受其粒度和形状分布的影响。虽然细粉末有利于实现AM打印部件的高分辨率，但由于内聚力增加，过量的细粉末会降低粉末流速。此外，细颗粒对水分更敏感，应尽可能避免。 

熔融特性：粒径越小，表面积体积比越高，熔化速度越快。然而，对于具有较高面积体积比的颗粒，激光吸收率更高，熔池可能会因能量输入过多而变得不稳定，从而导致打印零件的更多缺陷。[1][2]

因此，控制粉末的粒度分布是实现高质量零件的关键。

在实际应用中需要维持一定的大颗粒、小颗粒的占比，粉末样品具有多粒径分布更好。有时是通过制备具有不同大小颗粒占比的单个粉材来实现。有时考虑不同材料特性，将不同材料混合得到最终打印用粉材。如：

• 97 wt.% SS316L (Avg. 35.6 µm) + 3 wt.% Al2O3 (Avg. 79 µm) 

• 95 wt.% Ti (24 – 76 µm) + 5 wt.% Al (9 – 41 µm) 

• 95 wt.% Ti (15 – 45 µm) + 5 wt.% B4C (Avg. 5 µm) 等等[3]

因此，对于具有多峰分布3D粉材的粒度检测及质量控制是非常重要的。

此外，3D打印过程结束后，留在粉床中未熔化的粉末通过筛分回收仍然可以继续使用。但长时间的高温环境下，粉床中的粉末会有一定的性能变化。一般的操作流程是原料回收，原料再调整和烘干过筛处理。尤其对于复合粉材，在循环过程中，复合粉材中不同尺寸粒径的颗粒表现特性不一样。如在铺粉时小颗粒填充至大颗粒间隙中，随着成形的不断进行，小颗粒逐渐消耗减少；而成形过程中的飞溅、黏连、重熔等使得大颗粒数量增加。在此过程中，如何评估不同循环次数粉料的粒度分布是确定补充新鲜粉材工艺中至关重要的一环。

Alpharmaca

奥法美嘉平台提供3D打印粉材研发、质量控制的粒径分布及监测循环中不同颗粒变化的解决方案。提供3D打印粉材使用过程中，颗粒损耗，颗粒粒径分布变化监测解决方案。为上游3D打印粉材的研制，下游3D粉材使用过程中粒径分布变化监测提供整套解决方案。

2 高分辨率粒度分布检测

AccuSizer颗粒计数器系列

AccuSizer系列在检测液体中颗粒数量的同时精确检测颗粒的粒度及粒度分布，通过搭配不同传感器、进样器，适配不同的样本的测试需求，能快速而准确地测量颗粒粒径以及颗粒数量/浓度。

图2 AccuSizer A7000系列

• 检测范围为0.5μm-400μm（可将下限拓展至0.15μm）。

• 0.01μm的超高分辨率，AccuSizer系列具有1024个数据通道，能反映复杂样品的细微差异，为研发及品控保驾护航。

• 灵敏度高达10PPT级别，即使只有微量的颗粒通过传感器，也可以精准检测出来。

单颗粒光学传感技术

单个粒子通过狭窄的光感区时阻挡了一部分入射光，引起到达检测器的入射光强度瞬间降 低，强度信号的衰减幅度理论上与粒子横截面(假设横截面积小于光感区的宽度),即粒子 直径的平方成比例。用标准粒子建立粒径与强度信号大小的校正曲线。仪器测得样品中颗 粒通过光感区产生的信号，根据校正曲线计算出颗粒粒径。传统光阻法的范围下限一般到 1.5μm。Entegris（PSS）开创性地通过光散射增加对小粒子的灵敏度，将单颗粒传感器的计数下限拓展至0.5μm。

图3 单颗粒光学传感技术(SPOS)原理图

3 3D打印粉材粒度分布质量控制

316L是3D粉材中常见的一种材料，通过AccuSizer A7000 AD对其进行粒度分布测试。其结果如下：

图4 316L粉材数量粒径分布（左侧图）及体积粒径分布图（右侧图）

数量分布结果表明316L样品同时存在细颗粒和粗颗粒的颗粒尺寸分布。数量分布平均值是14.186微米。在数量分布分析过程中，总共测量了超过67000个粒子(单颗粒传感技术)。体积分布结果放大了颗粒分布中较大颗粒的存在。故而，体积分布模式下为42.786微米。同时可观察到大于80微米的粒子。

通过SPOS技术对316L样品中不同粒径颗粒进行计数，其结果如下：

表1 316L样品不同粒径颗粒占比（颗/毫克）

以上结果由AccuSizer A7000 AD测得, 根据样品预稀释计算得到的原始数据。316 L样品中大于16.692微米的大颗粒浓度最高(平均5242 #/mg) 。

4 3D打印粉材循环时粒度分布监测

如何评估不同循环次数粉料的粒度分布是确定补充新鲜粉材工艺中至关重要的一环。

图5 3D打印粉材循环流程图

AccuSizer A7000 AD可用于监控混合物料粉料中的单个物料PSD随时间的变化。首先通过AccuSizer A7000 AD评估单个物料粒径分布随时间变化的趋势图，由此可获得不同时间下单个粉料的粒径分布变化。再通过AccuSizer A7000 AD评估混合物粉料粒径分布随时间变化的趋势图。根据单个物料粒径分布变化趋势来进一步推断混合粉料中单个物料的变化。

以B4C 和 Ti64的混合粉材为例进行说明。[3]设计实验如下：

• B4C (~2.52 g/cm3) + Ti64 (~4.43 g/cm3)分散在纯水中

• 进行50次循环，每次取样5ml 进行粒度分布检测，每次循环29s

• 通过AccuSizer A7000 AD测试单个物料及混合物料粒径分布变化趋势。

图6 B4C (~2.52 g/cm3) 和Ti64 (~4.43 g/cm3)单个物料粒径分布随时间变化（循环次数4 (T = 0 s), 10 (T = 174 s), 30 (T = 754 s), 50 (T = 1334 s）

从图6中可看出，B4C在循环过程中（循环50次T=1334 s）其粒径分布图变化不大，峰型略矮；Ti64在循环过程中（循环50次T=1334 s）其粒径分布图明显变化，其大颗粒占比随时间逐渐降低。

对B4C-Ti64混合粉材（大约3.8 wt.% B4C）进行不同循环时间下粒径分布的变化测试，其结果如下：

图7 B4C-Ti64混合粉材粒径分布随时间变化

从图7中可看出，循环10次T=0 s ~ 174 s期间，B4C-Ti64混合粉材的粒径分布图中大颗粒占比随时间逐渐降低，这变化主要是由于Ti64的运动所致(或“下沉”行为)。循环50次T=174 s ~ 1334 s期间，其粒径分布图变化不大，峰型略矮，这变化主要是由于B4C的运动所致(或“下沉”行为)。

5 总结

AccuSizer A7000系列粒度仪，因其独特的SPOS（单颗粒光学传感技术）可实现高分辨率的粒径分布检测，尤其适用于含有不同大颗粒、小颗粒的粉材的粒径分布检测。AccuSizer A7000系列粒度仪可用于3D粉材的研发及质量控制的粒径分布检测，亦可用于3D粉材循环过程中粒径分布变化监控。