金屬3d打印技術(shù)逐漸走向生產(chǎn)領(lǐng)域，在復(fù)雜零部件制造或小批量生產(chǎn)中占有日益重要的地位，GE、空客、Honeywell 等著名制造業(yè)用戶近年來在全球范圍內(nèi)建立了增材制造中心，并安裝了多臺金屬3d打印設(shè)備。除了這些大型制造企業(yè)，一些細(xì)分領(lǐng)域的中小型制造用戶也陸續(xù)安裝了金屬3d打印設(shè)備，并打造企業(yè)在增材制造領(lǐng)域的競爭力。

我們知道，在每條制造生產(chǎn)線或者每個生產(chǎn)車間中都有需要遵守的安全生產(chǎn)規(guī)范，那么，隨著越來越多的金屬3d打印設(shè)備走向企業(yè)的生產(chǎn)車間，用戶應(yīng)怎樣做才能確保安全生產(chǎn)呢？在使用金屬3D打印設(shè)備中存在哪些需要規(guī)避的安全隱患呢？本期，小編主要以粉末床激光熔化金屬3D打印設(shè)備及其打印材料為例，列舉出幾個存在安全隱患的因素，為用戶安全、規(guī)范的操作金屬3D打印設(shè)備提供一定的參考。

粉末和惰性氣體使用中的風(fēng)險

粉末床激光熔化金屬3D打印機(jī)使用的材料為金屬粉末，粒徑為10-70微米。這種類型的粉末材料存在引發(fā)火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險，此外，人體對粉末顆粒的長期接觸和吸入也會給身體健康帶來一定隱患。

在粉末床激光熔化工藝中，激光器將金屬粉末進(jìn)行局部的熔化。這個過程是在充滿惰性氣體（氬氣或氮?dú)猓┑倪^程中進(jìn)行的，這些氣體可以在封閉的環(huán)境下產(chǎn)生氧氣，這也是第二個風(fēng)險的來源。此外，金屬粉末激光熔化過程中將產(chǎn)生一定“煙霧”，這些物質(zhì)會沉積在打印室和過濾器中。煙霧中的顆粒比金屬粉末本身更細(xì)，也金屬粉末存在著類似的安全隱患，因此需要定期清潔。

總結(jié)下來，粉末床激光熔化工藝在打印過程中主要存在四個隱患：火災(zāi)和爆炸，粉末吸入和接觸，惰性氣體窒息和材料廢物對環(huán)境的影響。

存放金屬粉末的塑料容器

火災(zāi)和爆炸

2014年，美國職業(yè)安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration）曾在OSHA職業(yè)安全與健康標(biāo)準(zhǔn)中引術(shù)了這樣一個安全生產(chǎn)的案例，某公司的金屬3D打印工作場所沒有配備合規(guī)的滅火設(shè)備，導(dǎo)致一名操作人員被火灼傷。雖然火災(zāi)是由于該公司不規(guī)范的操作設(shè)備而引起的，但這個事件仍然具有安全警示意義。那么，在這個事件中有哪些值得吸取的教訓(xùn)呢？ 哪些原因可能引起金屬3D打印過程中發(fā)生火災(zāi)呢？

如上圖所示，火災(zāi)和爆炸通常是由多種條件同時引起的，引起火災(zāi)的條件包括：氧氣、燃料、點(diǎn)火源（左圖）。當(dāng)同時具備氧氣和燃料這兩個條件時就存在著火的隱患了，此時需要避免火源。環(huán)境中產(chǎn)生的靜電都有可能成為點(diǎn)火源，另外，熱的表面、熱氣體都有可能產(chǎn)生火花和雜散的電流，從而成為點(diǎn)火源。引起爆炸的條件包括：粉塵、氧氣、燃料、封閉（右圖）。環(huán)境中所存在的粉塵遇到火源則可能發(fā)生爆炸。

當(dāng)然，即使是以上條件同時具備也并非意味著一定會引發(fā)火災(zāi)和爆炸，只有當(dāng)這些條件達(dá)到一定的水平時，才會發(fā)生危險。比如，燃燒的風(fēng)險隨著粉末粒徑的減小而增加，因此在風(fēng)險控制工作中，應(yīng)該注意金屬粉末的屬性。通常，鋁合金、鈦、鈦合金，以及這些金屬粉末所產(chǎn)生的煙霧都屬于活性金屬，它們引發(fā)火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險高于鋼、鉻鎳鐵合金、青銅、鈷鉻合金等非活性金屬。

粉塵吸入和接觸

金屬3D打印粉末的粒徑為10-70微米，這類粉末處于對人體的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生傷害的邊緣。有學(xué)者在研究論文中表明，人體在吸入直徑10-70微米的粉末顆粒之后，這些細(xì)微的粉末顆?？梢猿练e在氣管和支氣管中，最終被人體吞咽和排出，在這個直徑范圍內(nèi)的粉末顆粒，對人體肺部產(chǎn)生傷害的可能性較小，因?yàn)橹挥兄睆皆?微米以下的顆粒才能到達(dá)肺泡中對肺部造成傷害。但是由于人體長期處在金屬粉末的環(huán)境中究竟會對身體造成怎樣的傷害目前并沒有得到充分的證實(shí)，因此粉末操作人員仍應(yīng)佩戴呼吸器等防護(hù)設(shè)備，對身體進(jìn)行保護(hù)。

惰性氣體窒息

粉末床激光熔化3D打印設(shè)備在工作狀態(tài)下會用到氬氣或氮?dú)膺@樣的惰性氣體。惰性氣體如果由于某些原因發(fā)生泄漏，則可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。由于這兩種氣體都不能被人體所察覺，受害者會在沒有防備的情況下吸入含有這兩種氣體的空氣。在人體呼吸的空氣中氧氣含量為21%，如果因惰性氣體泄漏而使氧氣含量低于19.5%，人體就會因氧缺乏而受到傷害。這種情況特別容易發(fā)生在比較封閉的小操作間里，金屬3D打印用戶應(yīng)該意識到這種潛在的風(fēng)險，并采取預(yù)防措施，防患于未然。

環(huán)境影響

粉末床工藝的金屬3D打印機(jī)在使用過程中的一個挑戰(zhàn)是處理和收集設(shè)備中不同部位“散落”的金屬粉末，在這個處理過程中也存在上述火災(zāi)、爆炸和吸入性傷害等風(fēng)險。另外，存儲中散落出來的粉末可能對外界環(huán)境造成一定危害。

小編建議用戶在使用金屬3D打印設(shè)備前，除了充分了解這些關(guān)系到安全生產(chǎn)的因素，還應(yīng)系統(tǒng)的參加打印設(shè)備廠商提供培訓(xùn)，向設(shè)備廠商了解設(shè)備的安全操作規(guī)范，并結(jié)合消防、安全生產(chǎn)條例做好規(guī)范的預(yù)防措施。

參考資料：

J.M. Benson, “Safety considerations when handling metal powders”

R. G. Goldich, “Fundamentals of Particle Technology”

OSHA on Oxygen Deficiency