AM易道导语：
一位资深读者在AM易道读者群留言提问：
"请教一个问题：LPBF打印航天航空件会不会要求使用刚性刮刀，橡胶挂掉磨损引起缺陷的风险比较大。我看国内厂商大多数都是橡胶刮刀。"
这个问题道出了金属3D打印行业对刮刀选择的困扰。
作为金属粉末床激光熔化（LPBF）工艺中的关键组件，刮刀的选择不仅影响打印过程的稳定性，更直接决定着最终零件的品质。
为了回答这个问题，AM易道想用弗劳恩霍夫铸造、复合材料和加工技术研究所（IGCV）发表的一项深度研究，来系统性回答读者对于不同类型刮刀的性能表现评价，为这个看似简单的问题提供一定专业和科学依据。
本文不完全是对于此学术文章的解读，也混合了一些从业经验的理解。
刮刀的技术博弈在目前的LPBF设备中，主要有三类刮刀供选择：高速钢（HSS）刚性刮刀、碳纤维刷式软刮刀和聚合物软刮刀。
从图2的刮刀截面示意图和实物照片可以看出，这三种刮刀在结构和材料特性上存在显著差异：
HSS刮刀呈现出典型的刚性刀片结构，其截面为简单的斜面设计碳纤维刷由两排碳纤维束组成，具有良好的柔韧性聚合物刮刀则采用了柔性的橡胶唇口设计。
AM易道认为，这种结构差异直接决定了它们在应用中的优劣势。
刚性刮刀能提供更稳定的铺粉效果，但对零件翘曲更加敏感；软性刮刀具有更好的容错性，但可能带来更多的不确定性。
来看看本文是如何评测这些效果和不确定性的。
系统性样件设计
为了确保评估的全面性，研究人员精心设计了一系列测试样件（下两幅图所示）：
粉末收集器采用了中空圆柱设计，高度74mm，内部设有储粉空间，这种设计既能收集打印过程中的粉末样本，又能研究粉末床特性。
拉伸试样则采用了符合DIN 50125标准的圆柱形设计，直径9mm，确保了测试结果的可靠性和可比性。
显微结构分析样件设计为10×10×75mm³的长方体，通过在不同高度（底部、中部、顶部）进行取样，实现了对材料组织演变的系统研究。
这个设计特别适合研究打印方向对材料性能的影响。
图4所示的测试件巧妙地集成了多个关键几何特征：
不同角度的悬垂表面（60°和75°倾角）用于评估刮刀对无支撑结构的影响。
水滴形切口的设计则考验了刮刀在处理渐变截面时的性能表现。
测试件顶部设置了不同尺寸的圆柱结构，其中最小直径仅为1mm，这为刮刀处理精细特征的能力提供了极限测试。
贯穿孔的布置则从另一个维度检验了不同刮刀对内部特征的影响。
这个测试件的设计体现了研究团队对实际应用场景的深入思考，因为它包含了金属零件中常见的各类几何特征。
通过这样一个综合性的测试件，研究人员得以在单个构建任务中同时评估多个关键性能指标。
为确保实验的科学性和可重复性，研究团队精心设计了构建布局。
如图5左侧所示，第一组实验采用了5×5的均匀分布方式布置粉末收集器，这种布局能够全面评估打印平台不同位置的粉末特性。
拉伸试样和显微结构分析样件则采用3×3布局，位于构建平台中央区域，以最大程度降低边缘效应的影响。
图5右侧展示了污染物影响研究的专门布局，包含28个拉伸试样和4个CT分析样件。
这种布局设计使得研究人员能够在同一批次中获得足够的对照组和实验组数据。
粉末床性质评估
IGCV的研究团队使用了一种创新的方法来评估不同刮刀对粉末床质量的影响。
如图9所示，他们通过在打印平台上均匀分布25个粉末收集器，系统性地测量了粉末床密度（PBD）和颗粒尺寸分布（PSD）。
研究发现，出人意料的是，三种刮刀在粉末床密度方面的差异并不显著。
数据显示：
HSS刮刀：平均PBD为4.31 g/cm³
碳纤维刷：平均PBD为4.29 g/cm³
聚合物刮刀：平均PBD为4.30 g/cm³
这组数据打破了业界普遍认为刚性刮刀会带来更高粉末床密度的认知。
不过，在粉末床表面均匀性方面，确实观察到了一些差异。
如图8所示，软刮刀在与突出结构接触后，会在粉末床表面留下可见的条痕，而HSS刮刀则保持了更好的表面一致性。（图看不太清）
制造能力的全面评测
为了全面评估不同刮刀的制造能力，研究团队设计了一组严谨的对比实验。
他们选择了Inconel 718作为测试材料，这是一种在航空航天领域广泛使用的高性能合金。
扫描电镜观察显示，所用粉末呈现出较好的球形度，仅有少量卫星粉，粒度分布范围为15-45微米，这些特征为确保实验的可靠性奠定了基础。
在制造测试样件时，研究人员采用了EOS M290设备，实验采用67.47 J/mm³的能量密度，层厚40微米，这些参数的选择既符合设备制造商的建议，也反映了实际生产中的典型应用场景。
最引人注目的是薄壁结构的制造测试结果。
研究人员设计了一组不同壁厚（0.2-0.8mm）和倾角（45°和90°）的测试件。
如表1所示，使用HSS刮刀时，无论壁厚如何，所有薄壁样件都出现了制造失败。
这个结果令人意外，因为传统观点认为刚性刮刀会带来更好的工艺稳定性。
相比之下，纤维刷和聚合物刮刀在制造0.6mm及以上壁厚的样件时都取得了成功，展现出软性刮刀在处理精细结构时的独特优势。
表面质量与尺寸精度
在表面粗糙度测试中，研究团队使用了Keyence VK9700激光扫描显微镜进行测量。
数据显示，聚合物刮刀制造的零件达到了最低的表面粗糙度（Sa值为5.87μm），其次是HSS刮刀（5.98μm），而碳纤维刷制造的零件表面粗糙度略高（6.16μm）。
HSS刮刀展现出最小的标准差，表明其具有最稳定的表面生成能力。
而聚合物刮刀虽然平均值最低，但波动较大，这可能与其材料本身的柔顺性有关。
然而AM易道认为，这些差异从统计学角度来看并不显著。
更为关键的是尺寸精度的测试结果。
如图10所示，在铺粉方向（X方向）上，HSS刮刀展现出最好的尺寸控制能力，偏差范围仅为0.02-0.05mm。
相比之下，碳纤维刷的偏差为0.07-0.08mm，聚合物刮刀则达到0.08-0.09mm。
这个结果揭示了刚性刮刀在维持几何精度方面的优势。
图11的伪彩色分析图像揭示了不同刮刀在处理复杂几何特征时的细微差异。
在60°和75°悬垂面的边缘处，所有刮刀都产生了-0.27到-0.29mm的负向偏差。
特别是在水滴形切口的尖端处，HSS刮刀展现出最小的正向偏差（0.05mm），而软性刮刀的偏差略大（0.07mm）。
更深入的分析见图12，研究人员选取了10个具有代表性的测量点，包括悬垂面、上表面、垂直壁面和圆柱形状。
数据显示，除去悬垂边缘的特殊情况，大多数测量点的偏差都控制在-0.04到-0.09mm范围内。
三种刮刀之间的最大维度差异仅为0.02mm，这一发现挑战了业界普遍认为刮刀类型会显著影响精度的观点。
密度与显微组织分析
图13展示的密度分析结果差异不大。
三种刮刀制造的样件都达到了超过8.20 g/cm³的绝对密度，略高于文献报道的标称值（8.17-8.20 g/cm³）。
更重要的是，所有样件的孔隙率都极低，通过光学显微镜观察发现，相对密度都接近99.995%。
这说明不同类型的刮刀都能够实现稳定的制造工艺，产生高致密度的零件。
深入解析力学性能
在航空航天制造领域，零件的力学性能是一个决定性指标。
研究团队对所有测试样件都进行了严格的热处理，采用了符合SAE AMS5662N标准的工艺流程：980°C固溶退火1小时，随后进行720°C和620°C的两级时效处理。
这个处理工艺确保了测试结果能够真实反映实际应用场景。
通过系统性的拉伸测试，研究发现了一些出人意料的结果。
如图14所示，使用碳纤维刷制造的样件展现出最高的极限抗拉强度，而硅胶刮刀制造的样件则表现出较大的延伸率波动。
这打破了人们普遍认为刚性刮刀会带来更稳定力学性能的观点。
值得注意的是，所有样件的屈服强度和断裂延伸率都显著超过了VDI圆环测试的结果，也高于DIN EN 10302标准的下限要求。
污染风险评估
针对AM易道读者提出的航空航天行业特别关注的污染问题，研究人员进行了一项创新性的实验。
通过扫描电镜观察不同刮刀的磨损颗粒（如图6所示），我们可以看到显著的形貌差异：
碳纤维刷产生的磨损物呈现典型的纤维状，长度在0.5-1mm范围；聚合物刮刀的磨损颗粒形状不规则，尺寸约0.5mm；而HSS刮刀产生的碎屑较小，约250μm，具有金属切屑的典型特征。
这些差异直接影响着污染物对打印过程的干扰方式。
他们在打印过程中故意引入了来自不同刮刀的磨损后脱落的颗粒，然后观察其对零件性能的影响。
如上图所示，当碳纤维接触激光束时，会产生明显的过程辐射，表明发生了燃烧现象。
HSS刮刀的碎屑虽然没有产生如此明显的反应，但在熔池中留下了可见的隆起缺陷。
相比之下，聚合物刮刀的碎屑主要被熔池动力学推开，对表面质量的影响最小。
污染物的深层影响
为了更深入地理解刮刀磨损对零件性能的影响，研究人员使用计算机断层扫描（CT）技术对污染区域进行了精密分析。
如图16所示，虽然所有样件的孔隙率都非常低（低于0.005%），但不同类型的污染物确实导致了不同程度的内部缺陷：
碳纤维刷的磨损物导致了最高的孔隙率（0.0043%），并在零件核心区域形成了直径超过100μm的较大孔洞。
相比之下，聚合物刮刀的碎屑引起的孔隙率仅为0.0014%，而硬刮刀碎屑导致的孔隙率为0.0020%。
这些数据虽然都在航空航天工业可接受的范围内，但仍然值得关注。
针对磨损污染问题的新发现深入分析测试数据后发现了一个有趣的现象：
虽然软性刮刀的磨损更为明显，但其对零件性能的影响却未必如想象中严重。
如图17所示，即便是受到污染的样件，其屈服强度和极限抗拉强度与参考样件相比也没有显著差异。
这说明我们可能需要重新审视对软性刮刀在航空航天应用中的局限性认知。
AM易道认为，金属3D打印刮刀的选择不应该被简单地归结为"软"与"硬"的二元对立。在实际应用中，需要根据具体场景做出更细致的权衡。
基于综合评估结果的实际应用建议
表3的综合评估结果从7个关键维度对三种刮刀进行了系统性比较。
在粉末床特性方面，三种刮刀表现相当；在制造能力上，软性刮刀展现出明显优势；而在尺寸精度方面，HSS刮刀则更胜一筹。
特别值得一提的是污染物的临界性评估：
聚合物刮刀获得了正面评价（+），而碳纤维刷和HSS刮刀都显示为负面（-）。
从成本角度看，聚合物刮刀同样获得了最高评分（++），这使其在性价比方面具有明显优势。
这些全面的评估结果为不同应用场景下的刮刀选择提供了可靠的科学依据。
AM易道认为，基于这项研究的深度发现，可以为不同应用场景提供以下建议：
对于批量生产稳定、结构相对简单的航空航天零件，HSS刮刀是一个理想选择。 它提供了最好的尺寸精度和工艺稳定性，能够降低后续质量检验和后处理的工作量。 在开发新的工艺参数或制造具有复杂薄壁结构的零件时，软性刮刀展现出明显优势。 别是在原型开发阶段，聚合物刮刀不仅能够提供更高的成功率，还具有显著的成本优势。 对于高度规范的航空航天工业，应当谨慎使用碳纤维刷，因为其磨损物可能导致较高的内部孔隙率。 一个可能的改进方向是开发使用与工件材料相同的金属纤维制成的刷式刮刀，这样可以在保持柔性的同时降低污染风险。 此外，在应用环境温度超过500°C的高温工艺中，聚合物刮刀可能不再适用，此时应考虑使用耐高温的碳纤维刷或HSS刮刀。 考虑到刮刀价格的巨大差异（聚合物刮刀仅为HSS刮刀的约1/9，碳纤维刷的1/15），在允许的情况下选用更经济的方案也是合理的。
未来发展趋势与标准化进程
随着金属3D打印技术的不断发展，刮刀技术也在持续创新。
研究数据显示，现有的刮刀解决方案都存在各自的局限性，这催生了新型铺粉技术的探索需求。
比如，一些研究机构正在开发基于静电原理的非接触式铺粉系统，这可能为航空航天零件制造带来新的可能性。
值得注意的是，目前针对LPBF工艺中刮刀选择的标准化工作仍在进行中。
DIN
EN ISO/ASTM 52911-1虽然对刮刀的基本分类进行了规范，但在具体应用指南方面仍显不足。
这也是为什么不同企业和机构在刮刀选择上仍存在较大差异。
AM易道的写在最后
随着金属3D打印在各个领域的应用不断深入，对刮刀性能的要求也将继续提升。
来的发展方向可能主要是新型复合材料刮刀的开发，既要保持一定的柔韧性，又要具备优异的耐磨性智能化刮刀系统，能够实时监测粉末床状态并自适应调整非接触式铺粉技术的突破，彻底改变传统的铺粉模式。
从长远来看，随着标准化工作的推进和新技术的发展，金属3D打印刮刀的选择问题将获得更加清晰的指导方向。
但在当前阶段，需要务实地根据具体应用场景，在不同类型刮刀的优劣势中找到最佳平衡点。
AM易道的读者对于增材制造精度和效率的追求永无止境，相信在不久的将来，我们必将看到更多创新性的铺粉解决方案出现。
