掃描電鏡在增材制造中的應(yīng)用

2025-12-26

增材制造(Additive Manufacturing，AM)也被稱為3D打印制造，是通過(guò)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(guò)材料的切削來(lái)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(zhǎng)”成型，制造約束相對(duì)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(wú)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

NO.1

檢測(cè)成品表面缺陷

AM成品需要精確的質(zhì)量控制，以識(shí)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(guò)BSE像，打印零件的橫截面可以顯示在涉及波動(dòng)高溫的過(guò)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(cè)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(cè)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。

NO.2

檢測(cè)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(guò)程中，粉末樣品的均勻形狀、尺寸和元素分布的判斷，對(duì)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(dòng)和涂層能力。
孔隙率會(huì)影響成品材料的化學(xué)成分和機(jī)械強(qiáng)度。

另外，回收過(guò)程會(huì)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(cè)回收材料品質(zhì)。

AM自動(dòng)化SEM檢測(cè)

Part.2

使用 SEM 進(jìn)行AM分析的顯著優(yōu)勢(shì)是能夠確定每個(gè)已識(shí)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(huì)在打印過(guò)程中造成流動(dòng)性問(wèn)題。隨著顆粒變小，顆粒之間的吸引力會(huì)增加，這意味著細(xì)粉末通常比粗粉末更難自由流動(dòng)。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(dòng)，因?yàn)槟Σ梁突ハ嘟佑|減少。

在AM粉末檢測(cè)過(guò)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(zhǎng)徑比等信息同樣至關(guān)重要，而大批量樣品的檢測(cè)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(cāng)顆粒物分析系統(tǒng)，Thermo Scientic™ Perception 軟件歷經(jīng)32年的研發(fā)升級(jí)，系統(tǒng)功能不斷完善，是準(zhǔn)確,專業(yè)的顆粒物自動(dòng)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(dòng)化軟件可根據(jù)顆粒大小或顆?；瘜W(xué)性質(zhì)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所有顆粒進(jìn)行排序和分類，識(shí)別超出每個(gè)分類設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的顆?？梢灾匦逻M(jìn)行分組、排序和展示其它信息。Perception可以對(duì)給定分類中的每個(gè)粒子進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過(guò)直方圖顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。

SEM識(shí)別粉末形貌、尺寸和分布均勻性

利用Perception自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)顆粒形貌尺寸成分等所有信息

總的來(lái)說(shuō)，Perception軟件以自動(dòng)化方式量化粉末形態(tài)、尺寸分布、均勻性和污染物，以評(píng)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(guò)測(cè)量各種尺寸和形狀參數(shù)（例如最小和最大直徑、周長(zhǎng)、縱橫比、粗糙度和費(fèi)雷特直徑）來(lái)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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