實現金屬3D列印安全生產，幾點你需要了解的安全影響因素

金屬3D列印技術逐漸走向生產領域，在複雜零部件製造或小批量生產中佔有日益重要的地位，GE、空客、Honeywell 等著名製造業用戶近年來在全球範圍內建立了增材製造中心，並安裝了多台金屬3D列印設備。除了這些大型製造企業，一些細分領域的中小型製造用戶也陸續安裝了金屬3D列印設備，並打造企業在增材製造領域的競爭力。

我們知道，在每條製造生產線或者每個生產車間中都有需要遵守的安全生產規範，那麼，隨著越來越多的金屬3D列印設備走向企業的生產車間，用戶應怎樣做才能確保安全生產呢？ 在使用金屬3D列印設備中存在哪些需要規避的安全隱患呢？本期，3D科學谷主要以粉末床激光熔化金屬3D列印設備及其列印材料為例，列舉出幾個存在安全隱患的因素，為用戶安全、規範的操作金屬3D列印設備提供一定的參考。

粉末和惰性氣體

使用中的風險

粉末床激光熔化金屬3D印表機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火災或爆炸的風險，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行局部的熔化。這個過程是在充滿惰性氣體（氬氣或氮氣）的過程中進行的，這些氣體可以在封閉的環境下產生氧氣，這也是第二個風險的來源。此外，金屬粉末激光熔化過程中將產生一定「煙霧」，這些物質會沉積在列印室和過濾器中。煙霧中的顆粒比金屬粉末本身更細，也金屬粉末存在著類似的安全隱患，因此需要定期清潔。

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

存放金屬粉末的塑料容器

火災和爆炸

2014年，美國職業安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration）曾在OSHA職業安全與健康標準中引術了這樣一個安全生產的案例，某公司的金屬3D列印工作場所沒有配備合規的滅火設備，導致一名操作人員被火灼傷。雖然火災是由於該公司不規範的操作設備而引起的，但這個事件仍然具有安全警示意義。那麼，在這個事件中有哪些值得吸取的教訓呢？ 哪些原因可能引起金屬3D列印過程中發生火災呢？

如上圖所示，火災和爆炸通常是由多種條件同時引起的，引起火災的條件包括：氧氣、燃料、點火源（左圖）。當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。環境中產生的靜電都有可能成為點火源，另外，熱的表面、熱氣體都有可能產生火花和雜散的電流，從而成為點火源。引起爆炸的條件包括：粉塵、氧氣、燃料、封閉（右圖）。環境中所存在的粉塵遇到火源則可能發生爆炸。

當然，即使是以上條件同時具備也並非意味著一定會引發火災和爆炸，只有當這些條件達到一定的水平時，才會發生危險。比如，燃燒的風險隨著粉末粒徑的減小而增加，因此在風險控制工作中，應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生的煙霧都屬於活性金屬，它們引發火災或爆炸的風險高於鋼、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列印粉末的粒徑為10-70微米，這類粉末處於對人體的呼吸系統產生傷害的邊緣。有學者在研究論文中表明，人體在吸入直徑10-70微米的粉末顆粒之後，這些細微的粉末顆粒可以沉積在氣管和支氣管中，最終被人體吞咽和排出，在這個直徑範圍內的粉末顆粒，對人體肺部產生傷害的可能性較小，因為只有直徑在2微米以下的顆粒才能到達肺泡中對肺部造成傷害。但是由於人體長期處在金屬粉末的環境中究竟會對身體造成怎樣的傷害目前並沒有得到充分的證實，因此粉末操作人員仍應佩戴呼吸器等防護設備，對身體進行保護。

惰性氣體窒息

粉末床激光熔化3D列印設備在工作狀態下會用到氬氣或氮氣這樣的惰性氣體。惰性氣體如果由於某些原因發生泄漏，則可能產生嚴重後果。由於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於19.5%，人體就會因氧缺乏而受到傷害。這種情況特別容易發生在比較封閉的小操作間里，金屬3D列印用戶應該意識到這種潛在的風險，並採取預防措施，防患於未然。

環境影響

粉末床工藝的金屬3D印表機在使用過程中的一個挑戰是處理和收集設備中不同部位「散落」的金屬粉末，在這個處理過程中也存在上述火災、爆炸和吸入性傷害等風險。另外，存儲中散落出來的粉末可能對外界環境造成一定危害。

3D科學谷建議用戶在使用金屬3D列印設備前，除了充分了解這些關係到安全生產的因素，還應系統的參加列印設備廠商提供培訓，向設備廠商了解設備的安全操作規範，並結合消防、安全生產條例做好規範的預防措施。

參考資料：

J.M. Benson, 「Safety considerations when handling metal powders」

R. G. Goldich, 「Fundamentals of Particle Technology」

OSHA on Oxygen Deficiency

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