增材制造过程中粉末铺展时粉床中颗粒尺寸分离的机制

《Powder Technology》：Mechanisms of particle size segregation in the powder bed during powder spreading for additive manufacturing

　　•床层中的颗粒分离现象可从负分离到正分离不等，其形成受四种机制调控。•在准粉末床中，随着能量束从前往后的扫描，颗粒分离程度会逐渐增加。•负分离主要是由间隙效应和剪切作用引发的渗透效应造成的。•正分离则主要由雪崩流效应导致。在雪崩流作用下，分离后的大颗粒和小颗粒会重新聚集在一起。

引言
基于粉末床的增材制造工艺，包括选择性激光熔化技术（SLM，亦称激光粉末床熔融技术LPBF）[1]、[2]，选择性激光烧结技术（SLS）[3]、[4]以及电子束熔化技术[5]、[6]，近年来发展迅速，现已广泛应用于各类工业领域。在PB-AM工艺中，首先通过涂粉器将粉末铺展成粉末床，随后能量束扫描选定区域，使粉末熔合或烧结成固体部件。人们普遍认为，粉末床的质量会直接影响熔合/烧结过程以及最终产品的成型质量[7]、[8]、[9]、[10]。粉末床的密度与均匀性等质量指标，取决于粉末铺展过程中的颗粒流动行为及其背后的机制。粉末铺展是一个极为复杂的过程，其特征包括狭窄间隙中的近边界流动、多分散的颗粒尺寸分布，以及多区域、多类型的流动模式[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。因此，深入研究粉末铺展行为及其相关的颗粒动力学机制，对PB-AM工艺而言既至关重要又极具挑战性。颗粒尺寸分离是颗粒材料的一种独特性质，即在机械扰动作用下，不同尺寸的颗粒会在空间上发生分离或聚集现象[16]、[17]，这种现象通常发生在粉末铺展过程中，且必然会影响粉末床的质量。粉末铺展过程中颗粒流动的复杂性导致了复杂的尺寸分离行为，这也引发了众多研究人员的关注。

一些研究人员探讨了涂粉器前方移动粉末堆中颗粒尺寸分离的现象与机制。Nan等人[11]、[12]指出，粉末铺展过程中的分离现象更受涂粉器与基底之间近边界流动的影响，这与以整体流动为主的传统分离场景有所不同。他们强调了堵塞现象在推动颗粒分离中的作用，并观察到在刀片前方局部区域会积累更多大颗粒。Chen等人[18]发现，在双模态粉末铺展过程中，间隙入口处存在一种渗透机制会导致颗粒分离，其中小颗粒的向下运动比粗颗粒更为明显。Phua等人[19]观察到大颗粒倾向于聚集在移动粉末堆的前端，他们将这一现象归因于“巴西坚果效应”[20]，即大颗粒会上浮到表面，而小颗粒则填充其下方的空隙。他们还发现，随着铺展速度的增加，颗粒尺寸分离的程度会降低。最近，Xu等人[21]指出，移动粉末堆中的颗粒尺寸分离现象极为复杂，可能涉及多种机制，而Liu等人[22]则对这一问题进行了全面的研究。在[22]中，根据颗粒流动特性将粉末堆划分为四个区域，并阐明了各区域的尺寸分离行为及其背后的机制，为理解移动粉末堆中的颗粒尺寸分离提供了深刻见解。

研究人员还研究了已沉积粉末床中的颗粒尺寸分离现象，为此领域做出了重要贡献。Jacob等人[23]通过实验研究了粉末床内的颗粒尺寸分布，发现沿着刀片运动方向，颗粒尺寸略有增大。Salehi等人[24]发现，小颗粒倾向于沉积在粉末床的起始位置，而大颗粒则聚集在床层末端。Mussatto等人[25]也观察到了类似的实验结果，并指出即便颗粒尺寸分布较窄的粉末也会出现分离现象。Wang等人[26]基于离散元方法，比较了原始粉末堆与铺展后71.5%填充率粉末堆中的颗粒尺寸，结果显示粉末堆中剩余的小颗粒数量减少，这说明在粉末铺展的早期阶段有更多小颗粒被沉积到粉末床上。这些数值结果从不同角度验证了实验现象。多位学者试图探究粉末床内颗粒尺寸分离的成因。Chen等人[18]指出了间隙入口处的渗透机制。Shaheen等人[27]认为，与小颗粒相比，大颗粒更容易被涂粉器带走。Yao等人[28]发现，大颗粒会形成较强的力场限制其移动，而小颗粒则能更轻易地在大颗粒之间移动，从而导致颗粒泄漏和分离现象。Dai等人[29]强调，由颗粒生成引起的分离现象会在粉末床的初始阶段就存在。

总之，关于移动粉末堆中的颗粒尺寸分离现象已经有了较为清晰的认识，而针对粉末床内部颗粒尺寸分离的研究则仍然不足，尽管已有部分初步探索。目前，关于粉末床内颗粒尺寸分离的完整分布情况，或其沿铺展方向的演变规律，尤其是从早期以小颗粒为主到后期以大颗粒为主的转变过程，仍缺乏足够的研究。此外，不同床层阶段的颗粒分离现象与粉末堆中相应颗粒流动行为之间的因果关系，以及主导机制，也尚未得到阐明。鉴于此前所提到的粉末铺展过程中颗粒流动行为的极高复杂性，这一课题依然具有很大的研究难度。本文旨在填补这些空白。在之前研究[22]的基础上，本文系统地研究了粉末床内的颗粒尺寸分离现象。本文旨在探究影响粉末床分离变化的各种机制。在实际的增材制造工艺中，多尺寸颗粒在运动过程中的分离行为十分复杂，某些现象可能并非由单一分离机制引起，而是多种机制共同作用的结果。作为第一步，本文首先使用大颗粒与小颗粒的简单混合模型来阐明分离机制，以此为基础进一步研究包含多种颗粒尺寸的更复杂系统。文中详细展示了床层中颗粒分离分布的三阶段特征。通过颗粒追踪方法，分析了不同床层区域中的颗粒流动行为及其产生的分离现象，并明确了主导机制。这些研究成果为理解PB-AM工艺中粉末铺展过程中的颗粒尺寸分离现象提供了宝贵的参考。

DEM模型
由于离散元方法能够模拟颗粒动力学，并揭示颗粒尺度上的相关物理机制，因此在PB-AM研究中越来越受到重视[30]。单个颗粒p的平动和转动运动可通过牛顿第二定律进行描述，相应的控制方程如下：
mpd2xp/dt2 = Fpext + ∑qFpqn + Fpqt
Ip d2θp/dt2 = Mpext + ∑qMpq
其中，mp、Ip、xp和θp分别代表颗粒的质量、转动惯量、线性位移以及旋转角度。

最终粉末床中的颗粒尺寸分离
图3展示了最终粉末床中颗粒分离程度（Sep）的分布情况，可以看出分离程度从负分离到正分离不等。根据Sep值的不同，大致可分为三个特征区域：(I) 负颗粒分离区域（简称NS），其距离范围为0–9毫米，此时Sep值为负数（在?0.1左右波动），意味着该区域内小颗粒的体积分数大于大颗粒的体积分数。

结论
在本研究中，通过离散元模拟方法，对PB-AM工艺中粉末铺展过程中粉末床内的颗粒尺寸分离现象进行了全面研究，主要研究结果如下：
(1) 粉末床中的颗粒分离现象沿铺展方向依次经历三个阶段：负颗粒分离、过渡阶段以及正颗粒分离，其中正颗粒分离现象在粉末床中占主导地位。
(2) 研究发现了四种影响颗粒分离的机制。

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CRediT作者贡献说明
Yuehua Gao：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，方法论，研究工作。
Jiahao Liang：可视化，验证，研究工作，数据整理。
Qiuqiang Zhou：可视化，研究工作，数据整理。
Qipeng Liu：写作——审稿与编辑，指导，研究工作，资金获取，概念构思。
Xihua Chu：资源保障，方法论，概念构思。
Zhao Zhang：资源保障，概念构思。

资助
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号12562038）、江西省高端装备极端制造技术重点实验室开放项目（EL202303270）以及南昌航空大学科学研究发展基金（KF250170955）的支持。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

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