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前言

增材制造（Additive Manufacturing，AM），又稱3D打印，由于其具有很高的靈活性和創(chuàng)新性，可以進(jìn)行各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定制設(shè)計(jì)，因此近年來，增材制造技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，在航天航空，汽車，醫(yī)療等高精尖領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為推動傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要力量。

目前，工業(yè)級別的增材制造設(shè)備主要使用的原材料為粉體，如金屬、聚合物、陶瓷等。相較于傳統(tǒng)的冶金工藝，增材制造對粉體的各項(xiàng)特性要求更為嚴(yán)格。大部分增材制造用粉體通常需要經(jīng)過一系列改進(jìn)、篩選和質(zhì)量確認(rèn)之后才能用于增材制造，這也成為目前制約增材制造工藝高速發(fā)展的主要因素之一。因此，確保所使用的粉體原料達(dá)到相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。例如，粉末床熔合（PBF）工藝是航空航天和醫(yī)療植入等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的增材制造技術(shù)，主要用于制造尺寸嚴(yán)格、表面光潔度要求高以及機(jī)械強(qiáng)度良好的復(fù)雜部件。在粉末床熔融過程中，原料粉體及粉末層的密度是增材制造工藝過程的重要參數(shù)之一，對粉體的流動性、成型效率與成型件精度都有著一定影響，并最終影響成品如強(qiáng)度、硬度等方面性能，需要嚴(yán)格控制。

密度表征的重要性

密度指的是材料單位體積的質(zhì)量。在測定增材制造所需的密度參數(shù)時，我們可以很容易測得成品部件或原料粉體的質(zhì)量，但由于材料所占的體積會因度量方法的不同而有所差異，由此產(chǎn)生了不同的密度概念，比如真密度，骨架密度（表觀密度），堆積密度，包裹密度以及振實(shí)密度等。

在增材制造工藝中，粉體主要會在鋪粉、成形及回收這幾個過程中影響成型質(zhì)量。例如，鋪粉過程可能會存在粉體鋪設(shè)厚度不均勻，成形過程容易造成粉體缺失，進(jìn)而產(chǎn)生各種部件缺陷，這些都與粉體密度密切相關(guān)。密度會直接影響粉體的流動性，而良好的流動性對于確保鋪粉平整度和送粉穩(wěn)定性至關(guān)重要，對零件的完整性和表面光潔度有積極影響。因此了解和掌控材料的各種密度參數(shù)，有利于更好的掌握增材制造的整個過程，對原料選擇、優(yōu)化工藝過程和評估成品性能都有重要作用。

（1）真密度及骨架密度（或表觀密度）

真密度是材料的固有屬性，在計(jì)算真密度時所使用的體積不包括材料中的孔體積。骨架密度（或表觀密度）則把材料內(nèi)部封閉的孔隙包含在內(nèi)，但不包括表面開孔的體積，可通過樣品質(zhì)量除以固體骨架及其中包含的封閉孔的總體積算得，常用氣體置換法測定。了解原料的真密度及骨架密度對增材制造過程中粉體床的形成、過程中的燒結(jié)動力學(xué)以及最終產(chǎn)品的孔隙率至關(guān)重要。

（2）包裹密度

包裹密度是基于樣品的幾何體積來表征樣品的，能夠測定結(jié)構(gòu)復(fù)雜和不規(guī)則形態(tài)成品的體積，是成品部件的重要指標(biāo)之一。包裹密度可通過使用干燥、自由流動的粉體作為置換介質(zhì)，由比重瓶測定法測量。此外，將包裹密度值除以真密度值還可以獲得部件的孔隙度。

（3）堆積密度及振實(shí)密度

堆積密度是粉體自然堆積時的密度，由粉體質(zhì)量除以該粉體所占容器的體積獲得。振實(shí)密度是將一定量的樣品裝在容器中，通過振動裝置振動得到的填充密度，是衡量粉體顆粒堆積在一起的程度。一般振實(shí)密度比堆積密度略高，二者都是比較粉體特性非常有效的方法。

由于堆積密度對應(yīng)的堆積體積包括粉體顆粒間的空隙體積，因此堆積密度在很大程度上還取決于樣品的充氣或固結(jié)程度，即填充情況。球形度好、粒度分布寬的粉體堆積密度高，流動性和鋪展性好，孔隙率低，利于得到更為致密的部件。當(dāng)振動或施加壓力使樣品更緊密地堆積時，堆積密度會有所增加。由于堆積密度的這一可變性，測量時可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇適當(dāng)條件。有研究表明，具有較高堆積密度的粉體有利于提高燒結(jié)致密化和燒結(jié)強(qiáng)度，成型后部件致密度高，表面光潔度更好，從而獲得表面質(zhì)量和強(qiáng)度更優(yōu)的產(chǎn)品。此外，“球化”現(xiàn)象是在增材制造過程中常見的問題，這會使金屬粉體熔化后無法凝固成連續(xù)平滑的熔池，金屬球團(tuán)簇聚集，增加了出現(xiàn)機(jī)械缺陷和表面問題的可能。而調(diào)節(jié)堆積密度有利于改善“球化”現(xiàn)象，獲得更平滑的表面輪廓和更好的成品質(zhì)量。因此，通過堆積密度可以了解增材制造粉體床層及粉體流動性的相關(guān)信息，是粉體原材料以及再生材料的一個關(guān)鍵特性。

密度測量儀器及原理

麥克儀器提供了一系列增材制造行業(yè)中用于表征各項(xiàng)粉體密度的儀器。上文提到的真密度及骨架密度可采用AccuPyc II 1345 氣體置換法真密度儀進(jìn)行測試，堆積密度、振實(shí)密度及包裹密度可采用GeoPyc 1365 包裹/振實(shí)密度分析儀來分析。這些儀器均采用無損檢測技術(shù)，將兩臺儀器組合使用還可以獲得相關(guān)的孔隙率信息。

（1）AccuPyc II 1345 氣體置換法真密度儀

氣體置換法測密度是世界公認(rèn)的測骨架密度最可靠的技術(shù)之一。AccuPyc II 1345真密度儀采用的就是氣體置換法，它以高純氦氣/氮?dú)庾髦脫Q介質(zhì)進(jìn)行測試，根據(jù)質(zhì)量守恒確定樣品的體積，從而計(jì)算出骨架密度。由于氣體分子尺寸比較小，且多為惰性氣體，置換氣體能夠進(jìn)入粉體樣品中的開口空隙，可測得相比于樣品體積來說非常微小的孔隙，測量精確度非常高。目前，大部分商品化的全自動骨架密度儀的測量原理都基于氣體置換法。

（2）GeoPyc 1365 包裹/振實(shí)密度分析儀

GeoPyc 1365包裹密度儀測量包裹密度時使用的是比重瓶測定法原理，采用獨(dú)特的Dry Flo作為固體替代介質(zhì)自動測試樣品的體積和密度。這里用到的Dry Flo介質(zhì)是一種顆粒均勻、剛性的微小球狀物質(zhì)，具有很高的流動性，可在檢測過程中與樣品表面緊密貼合。此外，GeoPyc 1365還可以測定堆積密度和不同固結(jié)壓力下的振實(shí)密度。

AccuPyc II 1345 氣體置換法真密度儀

GeoPyc 1365 包裹/振實(shí)密度分析儀

結(jié)論

在增材制造工藝中，粉體的特性對于獲得性能優(yōu)異的成品至關(guān)重要，而密度是評估粉體特性的重要指標(biāo)之一，會影響加工效率、成品的表面光潔度和機(jī)械性能等。麥克儀器的AccuPyc II系列全自動氣體置換法真密度儀可快速高精度的測得樣品的骨架密度，GeoPyc系列全自動包裹/振實(shí)密度分析儀通過采用獨(dú)特的替代介質(zhì)Dry flo可測定包裹密度，還可以測定堆積密度和不同固結(jié)力下的振實(shí)密度。這兩款儀器均為無損檢測，操作簡單快捷，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。利用這些密度儀可以大大幫助研究人員更好的篩選和優(yōu)化增材制造粉體，提高增材制造工藝以及評估原料和成品質(zhì)量。

麥克儀器公司是提供材料表征解決方案的全球領(lǐng)先廠商，在密度、比表面積及孔隙度、粒度及粒形、粉體表征、催化劑表征及工藝開發(fā)等五個核心領(lǐng)域擁有一流的儀器和應(yīng)用技術(shù)。

麥克儀器公司成立于1962年，總部位于美國佐治亞州諾克羅斯，在全球擁有400多名員工。公司同時具備豐富的科學(xué)知識庫和一流內(nèi)部生產(chǎn)制造，為石油加工、石化產(chǎn)品和催化劑、食品和制藥等多個行業(yè)，以及下一代材料例如石墨烯、MOF材料、納米催化劑和沸石等表征提供高性能產(chǎn)品。公司設(shè)有Particle Testing Authority（PTA）實(shí)驗(yàn)室,可提供商業(yè)測試服務(wù)。

戰(zhàn)略收購富瑞曼科技有限公司（Freeman Technology Ltd）和PID公司(PID Eng & Tech)，也反映公司一直致力于在粉體和催化等工業(yè)關(guān)鍵領(lǐng)域提供優(yōu)化、集成的解決方案。