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(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要力量。

目前，工業(yè)級(jí)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(duì)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(duì)粉體的流動(dòng)性、成型效率與成型件精度都有著一定影響，并終影響成品如強(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(cè)定增材制造所需的密度參數(shù)時(shí)，我們可以很容易測(cè)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(huì)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(huì)在鋪粉、成形及回收這幾個(gè)過程中影響成型質(zhì)量。例如，鋪粉過程可能會(huì)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(huì)直接影響粉體的流動(dòng)性，而良好的流動(dòng)性對(duì)于確保鋪粉平整度和送粉穩(wěn)定性至關(guān)重要，對(duì)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(gè)過程，對(duì)原料選擇、優(yōu)化工藝過程和評(píng)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(shí)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(cè)定。了解原料的真密度及骨架密度對(duì)增材制造過程中粉體床的形成、過程中的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)以及終產(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(cè)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(dòng)的粉體作為置換介質(zhì)，由比重瓶測(cè)定法測(cè)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(shí)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(dòng)裝置振動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)或施加壓力使樣品更緊密地堆積時(shí)，堆積密度會(huì)有所增加。由于堆積密度的這一可變性，測(cè)量時(shí)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(huì)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(dòng)性的相關(guān)信息，是粉體原材料以及再生材料的一個(gè)關(guān)鍵特性。

密度測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)，將兩臺(tái)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(cè)密度是*的測(cè)骨架密度可靠的技術(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(cè)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(cè)得相比于樣品體積來說非常微小的孔隙，測(cè)量精確度非常高。目前，大部分商品化的全自動(dòng)骨架密度儀的測(cè)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(cè)量包裹密度時(shí)使用的是比重瓶測(cè)定法原理，采用*的Dry Flo作為固體替代介質(zhì)自動(dòng)測(cè)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(dòng)性，可在檢測(cè)過程中與樣品表面緊密貼合。此外，GeoPyc 1365還可以測(cè)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(duì)于獲得性能優(yōu)異的成品至關(guān)重要，而密度是評(píng)估粉體特性的重要指標(biāo)之一，會(huì)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(dòng)氣體置換法真密度儀可快速高精度的測(cè)得樣品的骨架密度，GeoPyc系列全自動(dòng)包裹/振實(shí)密度分析儀通過采用*的替代介質(zhì)Dry flo可測(cè)定包裹密度，還可以測(cè)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(cè)，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(píng)估原料和成品質(zhì)量。

關(guān)于麥克儀器公司

麥克儀器公司是提供材料表征解決方案的廠商，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(gè)核心領(lǐng)域擁有儀器和應(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，在擁有400多名員工。公司同時(shí)具備豐富的科學(xué)知識(shí)庫和內(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(gè)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(cè)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。