增材制造：通過掃描電鏡（SEM）改進增材制造加工工藝

在之前的博客中，我們介紹了增材制造（AM）是一種新的制造方法，并介紹了其關(guān)鍵點。 增材制造也被稱為 3D 打印或快速成型，由于其無限的潛力，吸引了全球眾多人士和行業(yè)的關(guān)注。 在這篇博客中，我們將介紹如何使用掃描電鏡（SEM）來監(jiān)測和改善增材制造質(zhì)量。

掃描電鏡（SEM）檢測表面缺陷

目前，AM 廠商使用掃描電鏡（SEM）作為產(chǎn)品的表征技術(shù)。 掃描電鏡（SEM）可以提供高分辨率圖像，可以仔細檢查 AM 工藝生產(chǎn)組件的表面質(zhì)量。掃描電鏡（SEM）的使用可以幫助我們揭示產(chǎn)品的表面缺陷，這些缺陷往往影響著產(chǎn)品的機械性和耐久性。

對于某些材料，如鈦合金，與傳統(tǒng)的制造工藝相比，利用 AM 制造出具有相同性能的密集部件是非常具有挑戰(zhàn)性的。 而掃描電鏡（SEM）恰好是AM最終產(chǎn)品檢測中非常有用的表征技術(shù)。

掃描電鏡（SEM）分析增材制造粉末

然而，掃描電鏡（SEM）不僅幫助檢測最終產(chǎn)品， 也可以對 AM 工藝中使用的原材料進行表征。 增材制造主要是基于粉末的技術(shù)，包括燒結(jié)各種各樣的粉末。增材制造的實質(zhì)是通過計算機輔助設(shè)計軟件（如CAD），將某種特定的加工樣式生成一個數(shù)字化的模型文件，然后按照模型圖用各類金屬粉末或塑料、陶瓷和復(fù)合材料等可塑性高的物質(zhì)進行加工的。

如果我們把更多的關(guān)注放在正在使用的金屬粉末上，將會看到許多金屬已經(jīng)用于增材制造工藝。 不銹鋼、鈷、鎳、鈦、鋁、鐵和鋁銅基合金已被使用，并且種類一直在增加。

AM廠商對金屬粉末的許多特性都非常關(guān)注。尺寸（在 1 到幾百微米的范圍內(nèi)）是一個能夠確保顆粒均勻分布的非常重要的性質(zhì)，這將影響產(chǎn)品的性能和其潛在應(yīng)用。形狀 （球形顆粒是zui好的）影響顆粒的填充、流動涂覆能力。孔隙度，影響了材料的機械強度。

在大多數(shù)情況下，需要仔細檢查粉末的上述特性，并且需要高度均勻的分布。

掃描電鏡（SEM）和顆粒表征

如上所述，掃描電鏡（SEM）對 AM 工藝制造的產(chǎn)品的表面進行成像和表征。 另外，對于粉末材料的表征，可以使用專用軟件，例如由飛納電鏡開發(fā)的顆粒統(tǒng)計分析測量系統(tǒng)（ParticleMetric）。  

該軟件可以自動檢測掃描電鏡樣品上存在的顆粒，并通過測量幾種最重要的物理性質(zhì)，如尺寸，形狀，圓度，長徑比等來準確表征它們。這些物理數(shù)值需要檢查和分析大量顆粒，因此這些自動執(zhí)行的表征過程就顯得非常重要，可以有效提高測試者的工作效率。

另外，掃描電鏡（SEM）可以通過使用所配備的能量色散X射線光譜儀（EDX）檢測粉末材料的化學(xué)特性。 將掃描電鏡（SEM）的 EDX 探頭應(yīng)用于 AM 工藝中，操作員可以準確檢測和量化樣品中存在的元素。

圖1： ParticleMetric 軟件的屏幕截圖。左側(cè)顯示掃描電鏡（SEM）中檢測到的顆粒。右側(cè)顯示檢測結(jié)果，它們的性質(zhì)和生成具有顆粒屬性的圖形。

顯而易見，掃描電鏡（SEM）可以完全覆蓋用于 AM 工藝的產(chǎn)品和材料的表征要求：使用掃描電鏡（SEM）成像檢查產(chǎn)品表面，用專門的顆粒統(tǒng)計分析系統(tǒng)來測量粉末材料的物理特性，使用 EDX 技術(shù)來檢測和量化它們的組成元素。

增材制造和掃描電鏡（SEM）

在增材制造中，產(chǎn)品的質(zhì)量控制以及檢測產(chǎn)品表面缺陷是至關(guān)重要的。 但是，作為增材制造商，希望能夠在不占用太多時間的情況下改善 AM 流程。  

Additive Industries 是世界上第一家用于工業(yè)金屬增材制造系統(tǒng)的專用設(shè)備制造商。他們設(shè)法解決這個障礙，并利用飛納臺式掃描電鏡來提高質(zhì)量控制。