作为粉末冶金类别下最具前景的制造方法，金属3D打印一直以来都受到人们极大的关注，特别是在工艺优化、材料创新和应用领域等方面。为了打印出结构复杂、轻量型的部件，金属3D打印常采用铝粉、镁粉、钛粉等轻质的粉体作为原料，但由于这些粉体的易燃易爆特性，近年来发生的类似爆炸事故屡见不鲜，确保安全生产也成为其制造过程中不可忽视的重要话题。

上海某3D打印企业铝合金粉尘燃爆事故

3D打印金属粉为啥易燃易爆？

铝、镁、钛、铁等金属本身化学性质非常活泼，制备成块状时能在空气中迅速生成一层氧化膜，阻止氧化的继续进行，并不容易发生燃爆，但3D打印为了保证成形后零件致密度高，所采用的大多为微米级的金属粉，其较大的比表面积，使得反应点位也比块状金属多得多，化学活性非常大，在半干半湿状态或者在空气中接触点火源时，金属粉和水或氧气反应而剧烈燃烧，燃烧瞬间产生大量的热量和燃烧产物，使气体、蒸汽等剧烈膨胀，造成爆炸的后果。另外，由于金属粉尘是导电的，能量传递相比面粉、煤粉、可可粉、锯末屑之类的粉体要快得多，若发生粉尘爆炸事故，威力也比它们更大。

铝粉燃烧反应

如何避免燃爆事故？

从以上原理来看，金属粉体受潮积热、操作环境存在点火源、粉尘浓度达到爆炸浓度极限等都会引发燃爆事故，因此要避免燃爆事故的发生，在3D打印时，每个环节都要都得严加警惕。

1、存储环节

正确储存和处理金属粉末不仅可以性质发生改变，保持其纯度，而且对安全也很重要。3D打印行业中，一些金属粉发生爆炸，是由于在保存、混合等环节，粉末不慎与氧气、潮气接触而产生、积累大量的热，从而导致燃爆事故的发生。因此，若要长期金属粉末，需要做好三件事：

（1）密封：利用粉末真空包装机等将粉末存储于与粉末相容的非反应性材料制成的密闭容器中，彻底与外界空气、潮气隔绝；

（2）填充惰性气体：防止粉末氧化，需要用惰性气体置换容器中的空气，控制粉末的物理及化学反应；

（3）控制水分含量和温度：金属粉末应储存在干燥、受控的环境中，远离潮气、热源及其他可能的化学污染源，防止粉末受潮、氧化而发生放热反应并产生自燃现象。

2、使用防爆设备

金属3D打印多采用合金粉末，而两种不同的金属粉末相互接触极易发生电偶腐蚀，若活泼金属单质与其他金属氧化物相互接触还会强烈的氧化还原反应，加之金属粉在设备、管线中的流动，粉体与管线、粉体与设备、粉体与粉体之间相互摩擦，会不可避免产生静电，并伴随产生电火花，从而引发粉末燃爆事故。因此，无论是粉体输送、筛分还是混合时，除了需要在惰性气体保护下进行，还需要采用专用的防爆设备，使粉末在全3D打印过程中于全封闭环境下进行安全、高效、无污染周转。

防爆真空输送机、防爆真空振动筛、惰性气体保护粉末混合机（从左至右）

（来源：浙江拓博环保科技有限公司）

防爆设备通常具有抑爆、隔爆、泄爆等防爆结构，同时其外壳一般采用钢板或铝合金材质制作，以有效地隔离爆炸源，防止内部产生的火花或电弧引起环境中的可燃物质爆炸，在外壳表面通常还进行了专门的防爆处理，一般为铸造、喷涂等方式，防止外壳损坏，预防或最大限度地降低易燃物质泄漏的可能性。为了进一步杜绝电火花产生并接触到可燃性金属粉尘而引发燃，防爆设备中也不用或尽量少用易产生电火花的电气元件，如必须使用，则应把容易发生电火花、电弧的元件都被密封起来并将整个系统接地处理。

抑爆、隔爆、泄爆装置

（来源：汇允环境）

 粉尘防爆高压电机 图源：西门子

3、强化过程风险管控

在3D打印过程中，并不是采用了防爆设备就万事大吉，为了避免防爆设备老化失效而引入点火源、氧气等，操作人员不仅需要定期进行电气防火检测，防止电气故障成为热源，还应在设备中设置火花检测熄灭系统、微量水及氢、氧含量实时监测系统，对工艺设备或管道内的火花以及氧含量进行实时检测，确保相关工序在低氧浓度下运行，并使用惰化加消灭点火源的方式，从源头上控制点火源，在根本上解决和预防粉尘爆炸的隐患。除此之外，操作人员还应定期进行电气防火检测，防止电气故障成为热源。

管道火花探测控制器

（来源：关内区生产运营中心）

氧份仪、微量水检测仪

（来源：贝克休斯）

氢气气体检测仪

（图源：科尔诺）

除此之外，为防止操作过程中，设备内惰性气体泄漏，在车间内形成高浓度的惰性气体环境，引发缺氧事故，车间内也应同时设置氧含量检测仪，在氧气含量低于安全值提醒人员撤离。

3、粉尘清理不容忽视

生产完毕后，在清理和处置过程中，应采用专业的防爆吸尘器收集余粉，避免余粉弥漫至车间中引发爆炸。气动防爆吸尘器和电动防爆吸尘器是在工业环境中用于清理粉尘和其他有害物质的重要设备。

来源：AFC工业除尘配套方案

电动防爆吸尘器需要通过电动机产生负压，从而吸入粉尘和废料，由于轻便且易于操作，适用于较小的工作区域或需要频繁移动的场所，但期间可能会产生火花或电弧，需要采取适当的防护措施以降低爆炸风险。

相比电动防爆吸尘器，气动式没有电机，其动力主要来自压缩气体，操作时爆炸的风险更小，更加适合金属3D打印这种易燃易爆的操作环境，其通过气动原理驱动，使用压缩空气产生极大的负压，从而吸入粉尘和废料，适用于处理大量粉尘和废料的工作场所。

另外，还需注意的是，当粉尘收集之后，还应避免往过滤器、收尘桶等密闭空间使用水进行局部“湿化”处理，使粉尘与水反应而积热爆炸。

说在最后

总之，由于金属粉末的易燃易爆型，3D打印的每个环节都必须采取有效的防爆措施，加强对设备的定期检修，并对操作人员进行专业的粉尘爆炸事故应急处置及救援培训。当生产或处置过程中不幸出现金属粉着火情况，火情较轻时可使用沙子覆盖灭火，灭火过程应避免扬尘；如火情较严重，则应引导人员撤离并报警处理，严禁使用水或泡沫灭火剂灭火，避免二次爆炸的发生。

粉体圈Corange整理

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