浅析实现金属3D打印安全生产的几大要素

金属3D打印技术逐渐走向生产领域，在复杂零部件制造或小批量生产中占有日益重要的地位，GE、空客、Honeywell 等著名制造业用户近年来在全球范围内建立了增材制造中心，并安装了多台金属3D打印设备。除了这些大型制造企业，一些细分领域的中小型制造用户也陆续安装了金属3D打印设备，并打造企业在增材制造领域的竞争力。

我们知道，在每条制造生产线或者每个生产车间中都有需要遵守的安全生产规范，那么，随着越来越多的金属3D打印设备走向企业的生产车间，用户应怎样做才能确保安全生产呢？在使用金属3D打印设备中存在哪些需要规避的安全隐患呢？本期，小编主要以粉末床激光熔化金属3D打印设备及其打印材料为例，列举出几个存在安全隐患的因素，为用户安全、规范的操作金属3D打印设备提供一定的参考。

粉末和惰性气体使用中的风险粉末床激光熔化金属3D打印机使用的材料为金属粉末，粒径为10-70微米。这种类型的粉末材料存在引发火灾或爆炸的风险，此外，人体对粉末颗粒的长期接触和吸入也会给身体健康带来一定隐患。在粉末床激光熔化工艺中，激光器将金属粉末进行局部的熔化。这个过程是在充满惰性气体（氩气或氮气）的过程中进行的，这些气体可以在封闭的环境下产生氧气，这也是第二个风险的来源。此外，金属粉末激光熔化过程中将产生一定“烟雾”，这些物质会沉积在打印室和过滤器中。烟雾中的颗粒比金属粉末本身更细，也金属粉末存在着类似的安全隐患，因此需要定期清洁。总结下来，粉末床激光熔化工艺在打印过程中主要存在四个隐患：火灾和爆炸，粉末吸入和接触，惰性气体窒息和材料废物对环境的影响。存放金属粉末的塑料容器
火灾和爆炸2014年，美国职业安全与健康管理局（Occupational Safety and Health Administration）曾在OSHA职业安全与健康标准中引术了这样一个安全生产的案例，某公司的金属3D打印工作场所没有配备合规的灭火设备，导致一名操作人员被火灼伤。虽然火灾是由于该公司不规范的操作设备而引起的，但这个事件仍然具有安全警示意义。那么，在这个事件中有哪些值得吸取的教训呢？ 哪些原因可能引起金属3D打印过程中发生火灾呢？
如上图所示，火灾和爆炸通常是由多种条件同时引起的，引起火灾的条件包括：氧气、燃料、点火源（左图）。当同时具备氧气和燃料这两个条件时就存在着火的隐患了，此时需要避免火源。环境中产生的静电都有可能成为点火源，另外，热的表面、热气体都有可能产生火花和杂散的电流，从而成为点火源。引起爆炸的条件包括：粉尘、氧气、燃料、封闭（右图）。环境中所存在的粉尘遇到火源则可能发生爆炸。当然，即使是以上条件同时具备也并非意味着一定会引发火灾和爆炸，只有当这些条件达到一定的水平时，才会发生危险。比如，燃烧的风险随着粉末粒径的减小而增加，因此在风险控制工作中，应该注意金属粉末的属性。通常，铝合金、钛、钛合金，以及这些金属粉末所产生的烟雾都属于活性金属，它们引发火灾或爆炸的风险高于钢、铬镍铁合金、青铜、钴铬合金等非活性金属。
粉尘吸入和接触金属3D打印粉末的粒径为10-70微米，这类粉末处于对人体的呼吸系统产生伤害的边缘。有学者在研究论文中表明，人体在吸入直径10-70微米的粉末颗粒之后，这些细微的粉末颗粒可以沉积在气管和支气管中，最终被人体吞咽和排出，在这个直径范围内的粉末颗粒，对人体肺部产生伤害的可能性较小，因为只有直径在2微米以下的颗粒才能到达肺泡中对肺部造成伤害。但是由于人体长期处在金属粉末的环境中究竟会对身体造成怎样的伤害目前并没有得到充分的证实，因此粉末操作人员仍应佩戴呼吸器等防护设备，对身体进行保护。
惰性气体窒息粉末床激光熔化3D打印设备在工作状态下会用到氩气或氮气这样的惰性气体。惰性气体如果由于某些原因发生泄漏，则可能产生严重后果。由于这两种气体都不能被人体所察觉，受害者会在没有防备的情况下吸入含有这两种气体的空气。在人体呼吸的空气中氧气含量为21%，如果因惰性气体泄漏而使氧气含量低于19.5%，人体就会因氧缺乏而受到伤害。这种情况特别容易发生在比较封闭的小操作间里，金属3D打印用户应该意识到这种潜在的风险，并采取预防措施，防患于未然。
环境影响粉末床工艺的金属3D打印机在使用过程中的一个挑战是处理和收集设备中不同部位“散落”的金属粉末，在这个处理过程中也存在上述火灾、爆炸和吸入性伤害等风险。另外，存储中散落出来的粉末可能对外界环境造成一定危害。小编建议用户在使用金属3D打印设备前，除了充分了解这些关系到安全生产的因素，还应系统的参加打印设备厂商提供培训，向设备厂商了解设备的安全操作规范，并结合消防、安全生产条例做好规范的预防措施。
参考资料：J.M. Benson, “Safety considerations when handling metal powders” R. G. Goldich, “Fundamentals of Particle Technology” OSHA on Oxygen Deficiency