高純度不鏽鋼316L 粉末的製備及其3D 列印

前言
金屬積層製造(metal additive manufacturing)又稱為加法製程，可大幅提升材料的使用效率，並突破傳統加工的限制，實現構型複雜的工件製作，再加上客製化及輕量化的優勢，已成為近年來工業自動化技術的發展重點之一，其應用涵蓋航太、汽車、模具、生醫及消費性產品產業[1]。金屬積層製造製程技術包含黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting)、材料擠製成型技術(Material Extrusion)、粉床熔融成型技術(Powder Bed Fusion)及直接能量沉積技術(Directed Energy Deposition)等[2-3]，當中粉床熔融成型技術最被為廣泛使用，其製程是將顆粒狀金屬粉末均勻鋪層在設備工作平台，以雷射或電子束直接熔融欲列印的位置，然後調降工作平台，再次鋪粉，再次以雷射或電子束進行熔融，一層一層完成列印[4]。因此，金屬粉末的粒度分布、化學組成、鬆裝密度、表面型態、氧含量及流動性等特性，都會直接影響積層製造成品的精度與品質[5]。
真空氣體霧化(Vacuum Gas Atomization)是製備金屬積層製造用粉末材料的主要技術，其可廣泛適用於各種金屬與合金粉末的生產。製程主要是藉由高壓惰性氣體(氬氣或氮氣)，將液態金屬熔湯擊碎成微小液滴，並冷卻凝固成粉末，具有高真圓度、高純度及高流動性的特點[6]。目前透過氣霧化法所生產可被用於積層製造的材料包含工具鋼、不鏽鋼、鈦合金、鎳基合金、鋁合金、鈷基合金等，其中不鏽鋼316L具備高強度及硬度、良好的抗腐蝕能力，已被廣泛應用於醫療器械、航太、化學用具、食品加工等產業。本研究將利用真空氣體霧化技術，製備不鏽鋼316L粉末，藉由霧化參數的調控，以提升積層製造用粉末的得料率，並透過選擇性雷射熔融技術，進行3D列印製程參數開發。
研究方法
1.不鏽鋼316L粉末的製備與分級
本研究利用真空氣體霧化設備來進行積層製造用不鏽鋼316L粉末的製備，設備與流程如圖1所示，主要構造包含感應熔煉艙、霧化系統、霧化艙與粉桶。金屬粉末的霧化流程簡述如下: 先將清洗乾淨的316L母合金原料投入預先置於感應系統中的陶瓷熔煉坩堝，將真空抽至1*10-2 torr後，即可開始進行原料的感應熔煉，當溫度達設定的參數後，直接將熔湯澆注到1400℃預熱的流道坩堝中，此時熔湯會流經噴嘴進入氣霧化系統，被高壓惰性氣體(5N氬氣)擊碎成微小液滴，液滴在飛行過程中會因為內聚力，慢慢冷卻形成圓球狀粉末，並被收集至粉桶中。因氣體霧化製程所生產的合金粉末粒徑為常態性分布，需要先以超音波震動篩分機進行粉末初篩，篩出100 μm以下之粉末，再透過旋風分級設備將粒徑在15 μm以下粉末移除，即可得到3D列印所需15-53 μm規格合金粉末。

圖1 真空氣體霧化製程

2.不鏽鋼316L粉末特性分析
取篩分後的氣體霧化不鏽鋼316L粉末約20 g，以雷射粒徑分析儀(Mastersize 3000E)進行粉末粒徑的分析，透過分析雷射散射的結果，可精確求得粉末粒徑分布; 將符合積層製造規格之氣霧化不鏽鋼316L粉末均勻的鋪在雙面碳膠帶之一側，並以場發射掃描式電子顯微鏡(JEOL JSM-6390)進行粉末型態的分析。秤取50 g氣霧化不鏽鋼316L粉末，以霍爾流速計(Hall flow meter)進行流動性測試，從量測的秒數，可以得知粉末的流動性，同時可量測出粉末視密度(apparent density); 利用震實密度儀，可直接測得粉末的震實密度(tap density)，分別將視密度與震實密度帶入式(1)，即可計算求得粉末的Carr Index。