作為粉末冶金類別下最具前景的制造方法，金屬3D打印一直以來都受到人們極大的關(guān)注，特別是在工藝優(yōu)化、材料創(chuàng)新和應(yīng)用領(lǐng)域等方面。為了打印出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輕量型的部件，金屬3D打印常采用鋁粉、鎂粉、鈦粉等輕質(zhì)的粉體作為原料，但由于這些粉體的易燃易爆特性，近年來發(fā)生的類似爆炸事故屢見不鮮，確保安全生產(chǎn)也成為其制造過程中不可忽視的重要話題。

上海某3D打印企業(yè)鋁合金粉塵燃爆事故

3D打印金屬粉為啥易燃易爆？

鋁、鎂、鈦、鐵等金屬本身化學(xué)性質(zhì)非常活潑，制備成塊狀時(shí)能在空氣中迅速生成一層氧化膜，阻止氧化的繼續(xù)進(jìn)行，并不容易發(fā)生燃爆，但3D打印為了保證成形后零件致密度高，所采用的大多為微米級的金屬粉，其較大的比表面積，使得反應(yīng)點(diǎn)位也比塊狀金屬多得多，化學(xué)活性非常大，在半干半濕狀態(tài)或者在空氣中接觸點(diǎn)火源時(shí)，金屬粉和水或氧氣反應(yīng)而劇烈燃燒，燃燒瞬間產(chǎn)生大量的熱量和燃燒產(chǎn)物，使氣體、蒸汽等劇烈膨脹，造成爆炸的后果。另外，由于金屬粉塵是導(dǎo)電的，能量傳遞相比面粉、煤粉、可可粉、鋸末屑之類的粉體要快得多，若發(fā)生粉塵爆炸事故，威力也比它們更大。

鋁粉燃燒反應(yīng)

如何避免燃爆事故？

從以上原理來看，金屬粉體受潮積熱、操作環(huán)境存在點(diǎn)火源、粉塵濃度達(dá)到爆炸濃度極限等都會引發(fā)燃爆事故，因此要避免燃爆事故的發(fā)生，在3D打印時(shí)，每個(gè)環(huán)節(jié)都要都得嚴(yán)加警惕。

1、存儲環(huán)節(jié)

正確儲存和處理金屬粉末不僅可以性質(zhì)發(fā)生改變，保持其純度，而且對安全也很重要。3D打印行業(yè)中，一些金屬粉發(fā)生爆炸，是由于在保存、混合等環(huán)節(jié)，粉末不慎與氧氣、潮氣接觸而產(chǎn)生、積累大量的熱，從而導(dǎo)致燃爆事故的發(fā)生。因此，若要長期金屬粉末，需要做好三件事：

（1）密封：利用粉末真空包裝機(jī)等將粉末存儲于與粉末相容的非反應(yīng)性材料制成的密閉容器中，徹底與外界空氣、潮氣隔絕；

（2）填充惰性氣體：防止粉末氧化，需要用惰性氣體置換容器中的空氣，控制粉末的物理及化學(xué)反應(yīng)；

（3）控制水分含量和溫度：金屬粉末應(yīng)儲存在干燥、受控的環(huán)境中，遠(yuǎn)離潮氣、熱源及其他可能的化學(xué)污染源，防止粉末受潮、氧化而發(fā)生放熱反應(yīng)并產(chǎn)生自燃現(xiàn)象。

2、使用防爆設(shè)備

金屬3D打印多采用合金粉末，而兩種不同的金屬粉末相互接觸極易發(fā)生電偶腐蝕，若活潑金屬單質(zhì)與其他金屬氧化物相互接觸還會強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，加之金屬粉在設(shè)備、管線中的流動，粉體與管線、粉體與設(shè)備、粉體與粉體之間相互摩擦，會不可避免產(chǎn)生靜電，并伴隨產(chǎn)生電火花，從而引發(fā)粉末燃爆事故。因此，無論是粉體輸送、篩分還是混合時(shí)，除了需要在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，還需要采用專用的防爆設(shè)備，使粉末在全3D打印過程中于全封閉環(huán)境下進(jìn)行安全、高效、無污染周轉(zhuǎn)。

防爆真空輸送機(jī)、防爆真空振動篩、惰性氣體保護(hù)粉末混合機(jī)（從左至右）

（來源：浙江拓博環(huán)保科技有限公司）

防爆設(shè)備通常具有抑爆、隔爆、泄爆等防爆結(jié)構(gòu)，同時(shí)其外殼一般采用鋼板或鋁合金材質(zhì)制作，以有效地隔離爆炸源，防止內(nèi)部產(chǎn)生的火花或電弧引起環(huán)境中的可燃物質(zhì)爆炸，在外殼表面通常還進(jìn)行了專門的防爆處理，一般為鑄造、噴涂等方式，防止外殼損壞，預(yù)防或最大限度地降低易燃物質(zhì)泄漏的可能性。為了進(jìn)一步杜絕電火花產(chǎn)生并接觸到可燃性金屬粉塵而引發(fā)燃，防爆設(shè)備中也不用或盡量少用易產(chǎn)生電火花的電氣元件，如必須使用，則應(yīng)把容易發(fā)生電火花、電弧的元件都被密封起來并將整個(gè)系統(tǒng)接地處理。

抑爆、隔爆、泄爆裝置

（來源：匯允環(huán)境）

 粉塵防爆高壓電機(jī) 圖源：西門子

3、強(qiáng)化過程風(fēng)險(xiǎn)管控

在3D打印過程中，并不是采用了防爆設(shè)備就萬事大吉，為了避免防爆設(shè)備老化失效而引入點(diǎn)火源、氧氣等，操作人員不僅需要定期進(jìn)行電氣防火檢測，防止電氣故障成為熱源，還應(yīng)在設(shè)備中設(shè)置火花檢測熄滅系統(tǒng)、微量水及氫、氧含量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，對工藝設(shè)備或管道內(nèi)的火花以及氧含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，確保相關(guān)工序在低氧濃度下運(yùn)行，并使用惰化加消滅點(diǎn)火源的方式，從源頭上控制點(diǎn)火源，在根本上解決和預(yù)防粉塵爆炸的隱患。除此之外，操作人員還應(yīng)定期進(jìn)行電氣防火檢測，防止電氣故障成為熱源。

管道火花探測控制器

（來源：關(guān)內(nèi)區(qū)生產(chǎn)運(yùn)營中心）

氧份儀、微量水檢測儀

（來源：貝克休斯）

氫氣氣體檢測儀

（圖源：科爾諾）

除此之外，為防止操作過程中，設(shè)備內(nèi)惰性氣體泄漏，在車間內(nèi)形成高濃度的惰性氣體環(huán)境，引發(fā)缺氧事故，車間內(nèi)也應(yīng)同時(shí)設(shè)置氧含量檢測儀，在氧氣含量低于安全值提醒人員撤離。

3、粉塵清理不容忽視

生產(chǎn)完畢后，在清理和處置過程中，應(yīng)采用專業(yè)的防爆吸塵器收集余粉，避免余粉彌漫至車間中引發(fā)爆炸。氣動防爆吸塵器和電動防爆吸塵器是在工業(yè)環(huán)境中用于清理粉塵和其他有害物質(zhì)的重要設(shè)備。

來源：AFC工業(yè)除塵配套方案

電動防爆吸塵器需要通過電動機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，從而吸入粉塵和廢料，由于輕便且易于操作，適用于較小的工作區(qū)域或需要頻繁移動的場所，但期間可能會產(chǎn)生火花或電弧，需要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施以降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

相比電動防爆吸塵器，氣動式?jīng)]有電機(jī)，其動力主要來自壓縮氣體，操作時(shí)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)更小，更加適合金屬3D打印這種易燃易爆的操作環(huán)境，其通過氣動原理驅(qū)動，使用壓縮空氣產(chǎn)生極大的負(fù)壓，從而吸入粉塵和廢料，適用于處理大量粉塵和廢料的工作場所。

另外，還需注意的是，當(dāng)粉塵收集之后，還應(yīng)避免往過濾器、收塵桶等密閉空間使用水進(jìn)行局部“濕化”處理，使粉塵與水反應(yīng)而積熱爆炸。

說在最后

總之，由于金屬粉末的易燃易爆型，3D打印的每個(gè)環(huán)節(jié)都必須采取有效的防爆措施，加強(qiáng)對設(shè)備的定期檢修，并對操作人員進(jìn)行專業(yè)的粉塵爆炸事故應(yīng)急處置及救援培訓(xùn)。當(dāng)生產(chǎn)或處置過程中不幸出現(xiàn)金屬粉著火情況，火情較輕時(shí)可使用沙子覆蓋滅火，滅火過程應(yīng)避免揚(yáng)塵；如火情較嚴(yán)重，則應(yīng)引導(dǎo)人員撤離并報(bào)警處理，嚴(yán)禁使用水或泡沫滅火劑滅火，避免二次爆炸的發(fā)生。

粉體圈Corange整理

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