نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتحسين تجربتك. بمواصلة تصفح هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط. معلومات إضافية.
تتضمن الطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد، طبقة رقيقة للغاية تلو الأخرى، مما يجعلها أكثر تكلفة من المعالجة التقليدية. ومع ذلك، لا يتم لحام سوى جزء صغير من المسحوق بالمكون أثناء عملية التجميع، بينما لا يندمج الجزء المتبقي، مما يسمح بإعادة استخدامه. في المقابل، إذا تم إنشاء الجسم بالطريقة التقليدية، فإنه يتطلب عادةً عمليات الطحن والتشكيل لإزالة المواد.
تُحدد خصائص المسحوق معايير الآلة، ويجب أخذها في الاعتبار أولاً. لن تكون تكلفة التصنيع بالإضافة اقتصادية نظرًا لتلوث المسحوق غير المنصهر وعدم إمكانية إعادة تدويره. ينتج عن تحلل المسحوق ظاهرتان: تعديل كيميائي للمنتج، وتغيرات في الخصائص الميكانيكية كشكل الجسيمات وتوزيع حجمها.
في الحالة الأولى، تتمثل المهمة الرئيسية في إنشاء هياكل صلبة تحتوي على سبائك نقية، لذا يجب تجنب تلوث المسحوق، على سبيل المثال، بالأكاسيد أو النتريدات. أما في الحالة الثانية، فترتبط هذه الخصائص بالسيولة وقابلية الانتشار. وبالتالي، فإن أي تغيير في خصائص المسحوق قد يؤدي إلى توزيع غير متجانس للمنتج.
تشير البيانات المنشورة حديثًا إلى أن مقاييس التدفق التقليدية لا توفر معلومات كافية حول توزيع المسحوق في التصنيع بالإضافة إلى طبقة المسحوق. وفيما يتعلق بتوصيف المادة الخام (أو المسحوق)، توجد عدة طرق قياس مناسبة في السوق تلبي هذا الشرط. يجب أن تكون حالة الإجهاد ومجال تدفق المسحوق متطابقين في جهاز القياس وفي عملية التصنيع. إن وجود أحمال ضغط يتعارض مع تدفق السطح الحر المستخدم في أجهزة قياس الحث في أجهزة اختبار القص ومقاييس اللزوجة التقليدية.
طورت شركة GranuTools منهجية عمل لتوصيف مساحيق الطباعة ثلاثية الأبعاد. هدفنا الرئيسي هو تزويد كل شكل هندسي بأداة محاكاة دقيقة للعملية، وتُستخدم هذه المنهجية لفهم وتتبع تطور جودة المسحوق في مختلف عمليات الطباعة. تم اختيار عدة سبائك ألومنيوم قياسية (AlSi10Mg) لفترات زمنية مختلفة عند أحمال حرارية متفاوتة (من 100 إلى 200 درجة مئوية).
يمكن التحكم في التحلل الحراري من خلال تحليل قدرة المسحوق على تراكم الشحنة الكهربائية. تم تحليل المساحيق من حيث انسيابيتها (باستخدام جهاز GranuDrum)، وحركية التعبئة (باستخدام جهاز GranuPack)، وسلوكها الكهروستاتيكي (باستخدام جهاز GranuCharge). تُعد قياسات التماسك وحركية التعبئة مناسبة لتتبع جودة المسحوق.
ستُظهر المساحيق سهلة التطبيق مؤشرات تماسك منخفضة، بينما ستنتج المساحيق ذات ديناميكيات التعبئة السريعة أجزاء ميكانيكية ذات مسامية أقل مقارنة بالمنتجات التي يصعب ملؤها.
بعد تخزينها لعدة أشهر في مختبرنا، تم اختيار ثلاثة مساحيق من سبائك الألومنيوم ذات توزيعات مختلفة لأحجام الجسيمات (AlSi10Mg) وعينة واحدة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، ويُشار إليها هنا بالعينات A وB وC. قد تختلف خصائص هذه العينات عن خصائص عينات الشركات المصنعة الأخرى. تم قياس توزيع حجم جسيمات العينات باستخدام تحليل حيود الليزر/ISO 13320.
نظرًا لأن خصائص المسحوق تتحكم في معايير الآلة، يجب أخذها في الاعتبار أولًا، وإذا اعتُبرت المساحيق غير المنصهرة ملوثة وغير قابلة لإعادة التدوير، فإن التصنيع الإضافي لن يكون اقتصاديًا كما يُؤمل. لذلك، سيتم دراسة ثلاثة معايير: تدفق المسحوق، وديناميكيات التعبئة، والكهرباء الساكنة.
تعتمد قابلية الانتشار على تجانس ونعومة طبقة المسحوق بعد عملية إعادة الطلاء. وهذا أمر بالغ الأهمية، إذ يسهل طباعة الأسطح الملساء، ويمكن فحصها باستخدام أداة GranuDrum لقياس مؤشر الالتصاق.
نظرًا لأن المسام نقاط ضعف في المادة، فقد تؤدي إلى تشققات. تُعد ديناميكية التعبئة المعيار الرئيسي الثاني، حيث توفر المساحيق سريعة التعبئة مسامية منخفضة. يُقاس هذا السلوك باستخدام جهاز GranuPack بقيمة n1/2.
يؤدي وجود الشحنات الكهربائية في المسحوق إلى قوى تماسك تُسهم في تكوين التكتلات. يقيس جهاز GranuCharge قدرة المساحيق على توليد شحنة كهربائية ساكنة عند ملامستها لمواد محددة أثناء التدفق.
أثناء المعالجة، يستطيع جهاز GranuCharge التنبؤ بتدهور التدفق، على سبيل المثال، عند تشكيل طبقة في التصنيع بالإضافة. وبالتالي، فإن القياسات المُحصلة حساسة للغاية لحالة سطح الحبيبات (الأكسدة، والتلوث، والخشونة). ومن ثم، يمكن تحديد مدى تقادم المسحوق المُستعاد بدقة (±0.5 نانو كولوم).
جهاز GranuDrum هو طريقة مُبرمجة لقياس تدفق المسحوق تعتمد على مبدأ الأسطوانة الدوارة. يُوضع نصف عينة المسحوق داخل أسطوانة أفقية ذات جدران جانبية شفافة. تدور الأسطوانة حول محورها بسرعة زاوية تتراوح بين 2 و60 دورة في الدقيقة، وتلتقط كاميرا CCD صورًا (من 30 إلى 100 صورة بفواصل زمنية قدرها ثانية واحدة). يتم تحديد سطح التماس بين الهواء والمسحوق في كل صورة باستخدام خوارزمية كشف الحواف.
احسب متوسط ​​موضع السطح البيني والتذبذبات حول هذا الموضع المتوسط. لكل سرعة دوران، تُحسب زاوية التدفق (أو "زاوية الراحة الديناميكية") αf من متوسط ​​موضع السطح البيني، ويُحلل عامل التماسك الديناميكي σf المرتبط بالترابط بين الحبيبات من تقلبات السطح البيني.
تتأثر زاوية التدفق بعدة عوامل: الاحتكاك، والشكل، والتماسك بين الجزيئات (قوى فان دير فالس، والقوى الكهروستاتيكية، والقوى الشعرية). ينتج عن المساحيق المتماسكة تدفق متقطع، بينما ينتج عن المساحيق غير اللزجة تدفق منتظم. تشير القيم المنخفضة لزاوية التدفق αf إلى تدفق جيد. يشير مؤشر الالتصاق الديناميكي القريب من الصفر إلى مسحوق غير متماسك، وبالتالي، كلما زاد التصاق المسحوق، زاد مؤشر الالتصاق تبعًا لذلك.
يسمح لك GranuDrum بقياس الزاوية الأولى للانهيار وتهوية المسحوق أثناء التدفق، بالإضافة إلى قياس مؤشر الالتصاق σf وزاوية التدفق αf اعتمادًا على سرعة الدوران.
تُعدّ قياسات الكثافة الظاهرية، وكثافة الضغط، ونسبة هاوسنر (المعروفة أيضًا باسم "اختبارات الضغط") في جهاز GranuPack مثاليةً لتوصيف المساحيق نظرًا لسهولة وسرعة القياس. وتُعتبر كثافة المسحوق وقدرته على زيادة كثافته من المعايير المهمة أثناء التخزين والنقل والتكتل، وما إلى ذلك. وتُفصّل الإجراءات الموصى بها في دستور الأدوية.
يُعاني هذا الاختبار البسيط من ثلاثة عيوب رئيسية. يعتمد القياس على المُشغِّل، وتؤثر طريقة التعبئة على الحجم الأولي للمسحوق. قد يؤدي قياس الحجم الكلي إلى أخطاء جسيمة في النتائج. ونظرًا لبساطة التجربة، لم نأخذ في الحسبان ديناميكيات الانضغاط بين القياسين الأولي والنهائي.
تم تحليل سلوك المسحوق المُغذّى إلى المخرج المستمر باستخدام معدات آلية. وقد تم قياس معامل هاوسنر Hr، والكثافة الابتدائية ρ(0)، والكثافة النهائية ρ(n) بدقة بعد n نقرة.
عادةً ما يتم تحديد عدد النقرات عند n=500. جهاز GranuPack هو جهاز آلي ومتطور لقياس كثافة النقر يعتمد على أبحاث ديناميكية حديثة.
يمكن استخدام مؤشرات أخرى، لكنها غير مُدرجة هنا. يُوضع المسحوق في أنبوب معدني عبر عملية تهيئة آلية دقيقة. وقد أُزيل استقراء المعامل الديناميكي n1/2 والكثافة القصوى ρ(∞) من منحنى الضغط.
توضع أسطوانة مجوفة خفيفة الوزن فوق طبقة المسحوق للحفاظ على استواء سطح التماس بين المسحوق والهواء أثناء عملية الضغط. يرتفع الأنبوب الذي يحتوي على عينة المسحوق إلى ارتفاع ثابت ΔZ ثم يسقط سقوطًا حرًا إلى ارتفاع ثابت عادةً عند ΔZ = 1 مم أو ΔZ = 3 مم، ويُقاس هذا الارتفاع تلقائيًا بعد كل ملامسة. احسب حجم الكومة V من الارتفاع.
الكثافة هي نسبة الكتلة m إلى حجم طبقة المسحوق V. كتلة المسحوق m معروفة، ويتم تطبيق الكثافة ρ بعد كل اصطدام.
يرتبط معامل هاوسنر Hr بعامل الانضغاط، ويُحلل بالمعادلة Hr = ρ(500) / ρ(0)، حيث ρ(0) هي الكثافة الظاهرية الأولية، وρ(500) هي التدفق المحسوب بعد 500 دورة. يُقاس التدفق باستخدام جهاز قياس الكثافة. عند استخدام طريقة GranuPack، تكون النتائج قابلة للتكرار باستخدام كمية صغيرة من المسحوق (عادةً 35 مل).
تُعدّ خصائص المسحوق وخصائص المادة المصنوع منها الجهاز من المعايير الأساسية. أثناء التدفق، تتولد شحنات كهروستاتيكية داخل المسحوق نتيجةً للتأثير الكهروستاتيكي الاحتكاكي، وهو تبادل الشحنات عند تلامس جسمين صلبين.
عندما يتدفق المسحوق داخل الجهاز، يحدث تأثير كهرضغطي عند نقطة التلامس بين الجزيئات وعند نقطة التلامس بين الجزيئات والجهاز.
عند ملامسة المادة المختارة، يقيس جهاز GranuCharge تلقائيًا كمية الشحنة الكهروستاتيكية المتولدة داخل المسحوق أثناء تدفقه. يتدفق المسحوق داخل أنبوب V المهتز ويسقط في كأس فاراداي متصل بمقياس كهربائي يقيس الشحنة المكتسبة أثناء حركة المسحوق داخل الأنبوب. وللحصول على نتائج قابلة للتكرار، استخدم جهازًا دوارًا أو مهتزًا لتغذية أنابيب V بشكل متكرر.
تتسبب ظاهرة الاحتكاك الكهربائي في اكتساب جسم ما إلكترونات على سطحه، فيصبح بالتالي مشحونًا بشحنة سالبة، بينما يفقد جسم آخر إلكترونات، فيصبح مشحونًا بشحنة موجبة. بعض المواد تكتسب الإلكترونات بسهولة أكبر من غيرها، وبالمثل، تفقد مواد أخرى الإلكترونات بسهولة أكبر.
يعتمد تحديد المادة التي تصبح سالبة الشحنة والمادة التي تصبح موجبة الشحنة على ميل كل مادة لاكتساب أو فقدان الإلكترونات. ولتمثيل هذه الاتجاهات، تم تطوير سلسلة الاحتكاك الكهربائي الموضحة في الجدول 1. يُدرج الجدول المواد ذات الاتجاه الموجب للشحنة، والمواد ذات الاتجاه السالب للشحنة، بينما تُدرج المواد التي لا تُظهر أي اتجاه سلوكي في منتصف الجدول.
من ناحية أخرى، لا يقدم الجدول سوى معلومات عن الاتجاهات في سلوك شحن المواد، لذلك تم إنشاء GranuCharge لتوفير قيم عددية دقيقة لسلوك شحن المساحيق.
أُجريت عدة تجارب لتحليل التحلل الحراري. وُضعت العينات عند درجة حرارة 200 درجة مئوية لمدة ساعة إلى ساعتين. ثم حُلل المسحوق فورًا باستخدام جهاز GranuDrum (الاسم التجاري). بعد ذلك، وُضع المسحوق في وعاء حتى وصل إلى درجة حرارة الغرفة، ثم حُلل باستخدام أجهزة GranuDrum وGranuPack وGranuCharge (أي "بارد").
تم تحليل العينات الخام باستخدام GranuPack و GranuDrum و GranuCharge في نفس رطوبة/درجة حرارة الغرفة (أي 35.0 ± 1.5% رطوبة نسبية و 21.0 ± 1.0 درجة مئوية).
يحسب مؤشر التماسك انسيابية المساحيق ويرتبط بتغيرات موضع السطح الفاصل (المسحوق/الهواء)، والذي يتكون من ثلاث قوى تلامس فقط (قوى فان دير فالس، والقوى الشعرية، والقوى الكهروستاتيكية). قبل التجربة، تم تسجيل الرطوبة النسبية للهواء (RH، %) ودرجة الحرارة (°C). ثم صُب المسحوق في الأسطوانة، وبدأت التجربة.
استنتجنا أن هذه المنتجات لا تتأثر بالتكتل عند النظر في خصائصها الانسيابية. ومن المثير للاهتمام أن الإجهاد الحراري غيّر السلوك الريولوجي لمساحيق العينتين A وB من زيادة اللزوجة مع زيادة معدل القص إلى انخفاضها. في المقابل، لم تتأثر العينتان C وSS 316L بدرجة الحرارة، واقتصرت خصائصهما على زيادة اللزوجة مع زيادة معدل القص. وقد أظهر كل مسحوق قابلية انتشار أفضل (أي انخفاض معامل التماسك) بعد التسخين والتبريد.
يعتمد تأثير درجة الحرارة أيضًا على المساحة السطحية للجسيمات. فكلما زادت الموصلية الحرارية للمادة، زاد تأثيرها على درجة الحرارة (مثلًا: Δ225° = 250°، Δ316° = 19°). وكلما صغر حجم الجسيمات، زاد تأثير درجة الحرارة. تُعد مساحيق سبائك الألومنيوم مثالية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية نظرًا لسهولة انتشارها، حتى أن العينات المبردة تُظهر انسيابية أفضل من المساحيق الأصلية.
في كل تجربة من تجارب GranuPack، سُجِّلَت كتلة المسحوق قبل كل تجربة، ثم ضُربت العينة 500 مرة بتردد 1 هرتز، وسقطت سقوطًا حرًا لمسافة 1 مم في خلية القياس (طاقة الصدم ∝). وُضِعَت العينة في خلية القياس وفقًا لتعليمات البرنامج المُتاح للمستخدم. بعد ذلك، أُعيدت القياسات مرتين لتقييم قابلية التكرار، وحُسِبَ المتوسط ​​والانحراف المعياري.
بعد اكتمال تحليل GranuPack، يتم حساب الكثافة الظاهرية الأولية (ρ(0))، والكثافة الظاهرية النهائية (عند عدة طرق، n = 500، أي ρ(500))، ونسبة هاوسنر/مؤشر كار (Hr/Cr)، ومعاملي التسجيل (n1/2 وτ) المرتبطين بحركية الانضغاط. كما تُعرض الكثافة المثلى ρ(∞) (انظر الملحق 1). يُعيد الجدول أدناه تنظيم البيانات التجريبية.
يوضح الشكلان 6 و7 منحنى الدمك الكلي (الكثافة الظاهرية مقابل عدد الصدمات) ونسبة معامل هاوسنر n1/2. وتظهر أشرطة الخطأ المحسوبة باستخدام المتوسط ​​على كل منحنى، بينما حُسبت الانحرافات المعيارية عن طريق اختبار التكرارية.
كان منتج الفولاذ المقاوم للصدأ 316L هو الأثقل (ρ(0) = 4.554 جم/مل). من حيث كثافة الضغط، يظل مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ 316L هو الأثقل (ρ(n) = 5.044 جم/مل)، يليه العينة أ (ρ(n) = 1.668 جم/مل)، ثم العينة ب (ρ(n) = 1.668 جم/مل). أما العينة ج فكانت الأخف (ρ(n) = 1.581 جم/مل). وفقًا للكثافة الظاهرية للمسحوق الأولي، نلاحظ أن العينة أ هي الأخف، ومع الأخذ في الاعتبار هامش الخطأ (1.380 جم/مل)، فإن العينتين ب وج لهما نفس القيمة تقريبًا.
مع تسخين المسحوق، تنخفض نسبة هاوسنر، ويحدث هذا فقط مع العينات B وC وSS 316L. أما بالنسبة للعينة A، فلم يكن من الممكن إجراء القياس نظرًا لحجم هامش الخطأ. بالنسبة لـ n1/2، فإن الاتجاه البارامتري أكثر تعقيدًا. بالنسبة للعينتين A وSS 316L، انخفضت قيمة n1/2 بعد ساعتين عند 200 درجة مئوية، بينما زادت بالنسبة للمسحوقين B وC بعد التحميل الحراري.
استُخدم مُغذٍّ اهتزازي لكل تجربة من تجارب GranuCharge (انظر الشكل 8). استُخدمت أنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L. أُجريت القياسات ثلاث مرات لتقييم قابلية التكرار. كان وزن المنتج المستخدم في كل قياس حوالي 40 مل، ولم يُسترد أي مسحوق بعد القياس.
قبل التجربة، سُجِّل وزن المسحوق (mp، غرام)، والرطوبة النسبية للهواء (RH، %)، ودرجة الحرارة (°مئوية). في بداية الاختبار، قُيسَت كثافة الشحنة للمسحوق الأولي (q0، ميكروكولوم/كيلوغرام) بوضع المسحوق في كأس فاراداي. بعد ذلك، ثُبِّتت كتلة المسحوق، وحُسِبَت كثافة الشحنة النهائية (qf، ميكروكولوم/كيلوغرام) وΔq (Δq = qf – q0) في نهاية التجربة.
تُعرض بيانات GranuCharge الأولية في الجدول 2 والشكل 9 (σ هو الانحراف المعياري المحسوب من نتائج اختبار التكرارية)، وتُعرض النتائج على شكل مدرج تكراري (يُعرض فقط q0 وΔq). يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ 316L بأقل شحنة ابتدائية؛ وقد يُعزى ذلك إلى أن هذا المنتج يتمتع بأعلى توزيع لحجم الجسيمات. أما فيما يتعلق بالتحميل الأولي لمسحوق سبائك الألومنيوم الأساسية، فلا يمكن استخلاص أي استنتاجات نظرًا لحجم الأخطاء.
بعد ملامسة أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، تلقت العينة A أقل كمية من الشحنة، بينما أظهر المسحوقان B وC اتجاهًا مشابهًا. عند فرك مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ 316L على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، وُجدت كثافة شحنة قريبة من الصفر (انظر سلسلة الاحتكاك الكهربائي). لا يزال المنتج B أكثر شحنة من A. بالنسبة للعينة C، يستمر الاتجاه (شحنة ابتدائية موجبة وشحنة نهائية موجبة بعد التسرب)، ولكن عدد الشحنات يزداد بعد التحلل الحراري.
بعد ساعتين من التعرض للإجهاد الحراري عند 200 درجة مئوية، أصبح سلوك المسحوق مثيرًا للاهتمام. في العينتين A وB، انخفضت الشحنة الأولية وتحولت الشحنة النهائية من سالبة إلى موجبة. أما مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، فكانت له أعلى شحنة أولية، وأصبح تغير كثافة شحنته موجبًا ولكنه ظل منخفضًا (أي 0.033 نانو كولوم/غرام).
لقد قمنا بدراسة تأثير التدهور الحراري على السلوك المشترك لمساحيق سبائك الألومنيوم (AlSi10Mg) والفولاذ المقاوم للصدأ 316L، بينما تم تحليل المساحيق الأصلية بعد ساعتين عند 200 درجة مئوية في الهواء.
يمكن أن يُحسّن استخدام المساحيق في درجات حرارة مرتفعة من انسيابية المنتج، وهو تأثير يبدو أكثر أهمية للمساحيق ذات المساحة السطحية العالية والمواد ذات الموصلية الحرارية العالية. استُخدم برنامج GranuDrum لتقييم الانسيابية، وبرنامج GranuPack لتحليل التعبئة الديناميكية، وبرنامج GranuCharge لتحليل الاحتكاك الكهربائي للمسحوق عند ملامسته لأنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L.
تم تحديد هذه النتائج باستخدام برنامج GranuPack، الذي أظهر تحسنًا في معامل هاوسنر لكل مسحوق (باستثناء العينة A، نظرًا لحجم الأخطاء) بعد عملية الإجهاد الحراري. لم يُلاحظ اتجاه واضح لمعامل التعبئة (n1/2)، حيث أظهرت بعض المنتجات زيادة في سرعة التعبئة، بينما كان تأثيرها معاكسًا في منتجات أخرى (مثل العينتين B وC).