扫描电镜在增材制造中的应用

2026-01-09 16:40:19, 创新研究中心北京欧波同光学技术有限公司

增材制造(Additive Manufacturing，AM)也被称为3D打印制造，是通过一层一层堆积材料的方式制造零件的技术。传统的生产加工方式是减材制造，也就是通过材料的切削来进行加工制造，而3D打印技术能够实现几何形状高度复杂结构的快速“生长”成型，制造约束相对较少，可以大大地减少加工工序，缩短加工周期，降低研发成本，被誉为颠覆性的制造技术。

3D打印技术集成了数字化技术、制造技术、激光技术以及新材料技术等多个学科技术，可以直接将CAD数字模型快速而精密地制造成三维实体零件，实现真正的“自由制造”。与传统制造技术相比，3D打印技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用。现阶段3D打印技术大致分为激光直接融化技术（LMD）、激光选区熔化（SLM）、激光选区烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）和光固化立体造型（SLA）。

SEM在增材制造中的应用

Part.1

NO.1

检测成品表面缺陷

AM成品需要精确的质量控制，以识别其中可能影响部件可靠性的任何故障或污染物。SEM因具备高空间分辨率，常用于检查使用AM工艺制造的零件表面质量，如表面是否有裂纹或夹杂物。利用BSE成像还可以揭示组件中的不同阶段，通过BSE像，打印零件的横截面可以显示在涉及波动高温的过程中形成的组件中不同相或密度的分布。

在 SEM设备中，BSE和SE探测器都可以提供样品表面的图像并显示孔隙、裂纹和夹杂物，EDS检测器还可以展示元素组成，以更准确的分析断裂或金属部件磨损的原因。

NO.2

检测增材制造原料粉末

SEM 不仅有助于检查成品，还有助于表征AM工艺中使用的原材料。增材制造主要是一种基于粉末的技术；此类工艺包括烧结各种粉末，其中在金属3D打印技术中使用到的金属粉末包括不锈钢、铁、镍、钴、铝、钛和铜基合金等。在AM技术过程中，粉末样品的均匀形状、尺寸和元素分布的判断，对于创建高质量的3D打印结构至关重要。通常包含以下几个部分：

尺寸（在1到几百微米的范围内）是确保均匀分布的一个非常重要的颗粒特性，这将影响产品的特性及其可能的应用。
形状（最好是球形颗粒）能够实现高效的包装、流动和涂层能力。
孔隙率会影响成品材料的化学成分和机械强度。

另外，回收过程会改变粉末的原始尺寸和形状并形成团聚体，从而在样品内形成孔隙并导致打印质量降低，使用SEM可用于检测回收材料品质。

AM自动化SEM检测

Part.2

使用 SEM 进行AM分析的最显著优势是能够确定每个已识别颗粒的化学成分。同时SEM的高分辨率有助于突出细小或微小颗粒的存在，这些颗粒可能会在打印过程中造成流动性问题。随着颗粒变小，颗粒之间的吸引力会增加，这意味着细粉末通常比粗粉末更难自由流动。光滑、规则形状的颗粒往往比粗糙形状的颗粒更容易流动，因为摩擦和互相接触减少。

在AM粉末检测过程中，除了单一颗粒的形貌缺陷和成分需要关注外，同批次产品的颗粒均匀性、尺寸分布、圆度和长径比等信息同样至关重要，而大批量样品的检测意味着SEM使用效率的降低。

赛默飞最新推出的第四代高分辨大样品仓颗粒物分析系统，Thermo Scientic™ Perception 软件历经32年的研发升级，系统功能不断完善，是目前国内外公认的最准确,最专业的颗粒物自动分析系统。同时搭载Thermo Scientic™ Axia™ ChemiSEM™扫描电镜，进一步拓展硬件功能，实现了软硬件一体化，高效率颗粒分析和高分辨显微成像。

Perception自动化软件可根据颗粒大小或颗粒化学性质在运行过程中对所有颗粒进行排序和分类，识别超出每个分类设定标准的颗粒可以重新进行分组、排序和展示其它信息。Perception可以对给定分类中的每个粒子进行计数，并通过直方图显示计数结果。

SEM识别粉末形貌、尺寸和分布均匀性

利用Perception自动化统计颗粒形貌尺寸成分等所有信息

总的来说，Perception软件以自动化方式量化粉末形态、尺寸分布、均匀性和污染物，以评估微观尺度上的金属颗粒纯度。这种可视性的方式有助于优化AM配方，并通过测量各种尺寸和形状参数（例如最小和最大直径、周长、纵横比、粗糙度和费雷特直径）来协助原材料的回收。所有这些都可以显示 10%、50%、90% 的值（例如 d10、d50、d90）。

参考链接：

1.https://www.atascientific.com

2.https://www.azom.com

3.徐隆坤. 3D打印蜂窝结构各向异性和屈曲研究及实验验证