增材制造(Additive Manufacturing,AM)也被稱為3D打印制造,是通過一層一層堆積材料的方式制造零件的技術(shù)。傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工方式是減材制造,也就是通過材料的切削來進(jìn)行加工制造,而3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)幾何形狀高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速“生長”成型,制造約束相對較少,可以大大地減少加工工序,縮短加工周期,降低研發(fā)成本,被譽(yù)為顛覆性的制造技術(shù)。
3D打印技術(shù)集成了數(shù)字化技術(shù)、制造技術(shù)、激光技術(shù)以及新材料技術(shù)等多個(gè)學(xué)科技術(shù),可以直接將CAD數(shù)字模型快速而精密地制造成三維實(shí)體零件,實(shí)現(xiàn)真正的“自由制造”。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,3D打印技術(shù)具有柔性高、無模具、周期短、不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制等一系列優(yōu)點(diǎn),在航天航空、汽車、電子、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段3D打印技術(shù)大致分為激光直接融化技術(shù)(LMD)、激光選區(qū)熔化(SLM)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、熔融沉積成型(FDM)和光固化立體造型(SLA)。
SEM在增材制造中的應(yīng)用
Part.1
檢測成品表面缺陷
AM成品需要精確的質(zhì)量控制,以識別其中可能影響部件可靠性的任何故障或污染物。SEM因具備高空間分辨率,常用于檢查使用AM工藝制造的零件表面質(zhì)量,如表面是否有裂紋或夾雜物。利用BSE成像還可以揭示組件中的不同階段,通過BSE像,打印零件的橫截面可以顯示在涉及波動高溫的過程中形成的組件中不同相或密度的分布。
在 SEM設(shè)備中,BSE和SE探測器都可以提供樣品表面的圖像并顯示孔隙、裂紋和夾雜物,EDS檢測器還可以展示元素組成,以更準(zhǔn)確的分析斷裂或金屬部件磨損的原因。
檢測增材制造原料粉末
SEM 不僅有助于檢查成品,還有助于表征AM工藝中使用的原材料。增材制造主要是一種基于粉末的技術(shù);此類工藝包括燒結(jié)各種粉末,其中在金屬3D打印技術(shù)中使用到的金屬粉末包括不銹鋼、鐵、鎳、鈷、鋁、鈦和銅基合金等。在AM技術(shù)過程中,粉末樣品的均勻形狀、尺寸和元素分布的判斷,對于創(chuàng)建高質(zhì)量的3D打印結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。通常包含以下幾個(gè)部分:
尺寸(在1到幾百微米的范圍內(nèi))是確保均勻分布的一個(gè)非常重要的顆粒特性,這將影響產(chǎn)品的特性及其可能的應(yīng)用。
形狀(最好是球形顆粒)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的包裝、流動和涂層能力。
孔隙率會影響成品材料的化學(xué)成分和機(jī)械強(qiáng)度。
另外,回收過程會改變粉末的原始尺寸和形狀并形成團(tuán)聚體,從而在樣品內(nèi)形成孔隙并導(dǎo)致打印質(zhì)量降低,使用SEM可用于檢測回收材料品質(zhì)。
AM自動化SEM檢測
Part.2
使用 SEM 進(jìn)行AM分析的顯著優(yōu)勢是能夠確定每個(gè)已識別顆粒的化學(xué)成分。同時(shí)SEM的高分辨率有助于突出細(xì)小或微小顆粒的存在,這些顆粒可能會在打印過程中造成流動性問題。隨著顆粒變小,顆粒之間的吸引力會增加,這意味著細(xì)粉末通常比粗粉末更難自由流動。光滑、規(guī)則形狀的顆粒往往比粗糙形狀的顆粒更容易流動,因?yàn)槟Σ梁突ハ嘟佑|減少。
在AM粉末檢測過程中,除了單一顆粒的形貌缺陷和成分需要關(guān)注外,同批次產(chǎn)品的顆粒均勻性、尺寸分布、圓度和長徑比等信息同樣至關(guān)重要,而大批量樣品的檢測意味著SEM使用效率的降低。
賽默飛最新推出的第四代高分辨大樣品倉顆粒物分析系統(tǒng),Thermo Scientic™ Perception 軟件歷經(jīng)32年的研發(fā)升級,系統(tǒng)功能不斷完善,是準(zhǔn)確,專業(yè)的顆粒物自動分析系統(tǒng)。同時(shí)搭載Thermo Scientic™ Axia™ ChemiSEM™掃描電鏡,進(jìn)一步拓展硬件功能,實(shí)現(xiàn)了軟硬件一體化,高效率顆粒分析和高分辨顯微成像。
Perception自動化軟件可根據(jù)顆粒大小或顆粒化學(xué)性質(zhì)在運(yùn)行過程中對所有顆粒進(jìn)行排序和分類,識別超出每個(gè)分類設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的顆粒可以重新進(jìn)行分組、排序和展示其它信息。Perception可以對給定分類中的每個(gè)粒子進(jìn)行計(jì)數(shù),并通過直方圖顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。

SEM識別粉末形貌、尺寸和分布均勻性

利用Perception自動化統(tǒng)計(jì)顆粒形貌尺寸成分等所有信息
總的來說,Perception軟件以自動化方式量化粉末形態(tài)、尺寸分布、均勻性和污染物,以評估微觀尺度上的金屬顆粒純度。這種可視性的方式有助于優(yōu)化AM配方,并通過測量各種尺寸和形狀參數(shù)(例如最小和最大直徑、周長、縱橫比、粗糙度和費(fèi)雷特直徑)來協(xié)助原材料的回收。所有這些都可以顯示 10%、50%、90% 的值(例如 d10、d50、d90)。
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