Използваме „бисквитки“, за да подобрим вашето преживяване. Като продължите да разглеждате този сайт, вие се съгласявате с употребата на „бисквитки“. Допълнителна информация.
Адитивното производство (AM) включва създаването на 3D обекти, един ултратънък слой наведнъж, което го прави по-скъпо от традиционната обработка. Въпреки това, само малка част от праха се заварява към компонента по време на процеса на сглобяване. Останалата част не се слепва, така че може да се използва повторно. За разлика от това, ако обектът е създаден по класическия начин, обикновено се изисква фрезоване и машинна обработка за отстраняване на материал.
Свойствата на праха определят параметрите на машината и трябва да се вземат предвид на първо място. Цената на адитивно-адаптационното производство не би била икономична, като се има предвид, че неразтопеният прах е замърсен и не може да се рециклира. Разграждането на праха води до две явления: химическа модификация на продукта и промени в механичните свойства, като морфология и разпределение на размера на частиците.
В първия случай основната задача е да се създадат твърди структури, съдържащи чисти сплави, така че е необходимо да се избегне замърсяване на праха, например с оксиди или нитриди. При втория случай тези параметри са свързани с течливостта и разстилаемостта. Следователно, всяка промяна в свойствата на праха може да доведе до неравномерно разпределение на продукта.
Данни от скорошни публикации показват, че класическите разходомери не могат да предоставят адекватна информация за разпределението на праха в AM въз основа на праховия слой. Що се отнася до характеризирането на суровината (или праха), на пазара има няколко подходящи метода за измерване, които могат да удовлетворят това изискване. Състоянието на напрежение и полето на потока на праха трябва да бъдат еднакви в измервателната установка и в процеса. Наличието на компресионни товари е несъвместимо със свободния повърхностен поток, използван в IM устройствата в тестери за срязване и класическите реометри.
GranuTools разработи работен процес за характеризиране на AM прах. Основната ни цел е да оборудваме всяка геометрия с точен инструмент за симулация на процеса, а този работен процес се използва за разбиране и проследяване на еволюцията на качеството на праха в различни печатни процеси. Няколко стандартни алуминиеви сплави (AlSi10Mg) бяха избрани за различна продължителност при различни термични натоварвания (от 100 до 200 °C).
Термичното разграждане може да се контролира чрез анализ на способността на праха да акумулира електрически заряд. Праховете бяха анализирани за течливост (прибор GranuDrum), кинетика на опаковане (прибор GranuPack) и електростатично поведение (прибор GranuCharge). Измерванията на кохезията и кинетиката на опаковане са подходящи за проследяване на качеството на праха.
Праховете, които са лесни за нанасяне, ще покажат ниски кохезионни индекси, докато праховете с бърза динамика на пълнене ще произведат механични части с по-ниска порьозност в сравнение с по-трудните за пълнене продукти.
След няколко месеца съхранение в нашата лаборатория, бяха избрани три праха от алуминиева сплав с различно разпределение на размера на частиците (AlSi10Mg) и една проба от неръждаема стомана 316L, тук наричани проби A, B и C. Свойствата на пробите може да се различават от тези на други производители. Разпределението на размера на частиците на пробата беше измерено чрез лазерен дифракционен анализ/ISO 13320.
Тъй като те контролират параметрите на машината, свойствата на праха трябва да се вземат предвид първо и ако неразтопените прахове се считат за замърсени и нерециклируеми, тогава адитивното производство не е толкова икономично, колкото може да се надяваме. Следователно ще бъдат изследвани три параметъра: поток на праха, динамика на опаковане и електростатика.
Разстилаемостта е свързана с еднородността и „гладкостта“ на праховия слой след операцията по повторно нанасяне на покритие. Това е много важно, тъй като гладките повърхности са по-лесни за печат и могат да бъдат изследвани с инструмента GranuDrum с измерване на индекса на адхезия.
Тъй като порите са слаби места в материала, те могат да доведат до пукнатини. Динамиката на запълване е вторият ключов параметър, тъй като бързо запълващите се прахове осигуряват ниска порьозност. Това поведение се измерва с GranuPack със стойност на n1/2.
Наличието на електрически заряди в праха създава кохезионни сили, които водят до образуването на агломерати. GranuCharge измерва способността на праховете да генерират електростатичен заряд при контакт с избрани материали по време на потока.
По време на обработката, GranuCharge може да предвиди влошаването на течливостта, например при формиране на слой в AM. По този начин получените измервания са много чувствителни към състоянието на повърхността на зърното (окисление, замърсяване и грапавост). Стареенето на възстановения прах може да бъде точно количествено определено (±0,5 nC).
GranuDrum е програмиран метод за измерване на потока на прах, базиран на принципа на въртящ се барабан. Половината от прахообразната проба се съдържа в хоризонтален цилиндър с прозрачни странични стени. Барабанът се върти около оста си с ъглова скорост от 2 до 60 оборота в минута, а CCD камерата прави снимки (от 30 до 100 изображения на интервали от 1 секунда). Границата въздух/прах се идентифицира на всяко изображение с помощта на алгоритъм за откриване на ръбове.
Изчислете средното положение на интерфейса и трептенията около това средно положение. За всяка скорост на въртене, ъгълът на потока (или „динамичен ъгъл на покой“) αf се изчислява от средното положение на интерфейса, а коефициентът на динамична кохезия σf, свързан с междузърнестите връзки, се анализира от флуктуациите на интерфейса.
Ъгълът на потока се влияе от редица параметри: триене, форма и кохезия между частиците (ван дер Ваалсови, електростатични и капилярни сили). Кохезионните прахове водят до прекъсващ поток, докато невискозните прахове водят до равномерен поток. Ниските стойности на ъгъла на потока αf съответстват на добър поток. Динамичен индекс на адхезия, близък до нула, съответства на некохезивен прах, така че с увеличаването на адхезията на праха, индексът на адхезия се увеличава съответно.
GranuDrum ви позволява да измерите първия ъгъл на лавината и аерирането на праха по време на потока, както и да измерите индекса на адхезия σf и ъгъла на потока αf в зависимост от скоростта на въртене.
Измерванията на насипната плътност, плътността при потупване и коефициента на Хауснер на GranuPack (известни също като „тестове при потупване“) са идеални за характеризиране на прахове поради лекотата и скоростта на измерване. Плътността на праха и способността за увеличаване на неговата плътност са важни параметри по време на съхранение, транспортиране, агломерация и др. Препоръчителните процедури са описани във Фармакопеята.
Този прост тест има три основни недостатъка. Измерването зависи от оператора, а методът на пълнене влияе върху началния обем на праха. Измерването на общия обем може да доведе до сериозни грешки в резултатите. Поради простотата на експеримента, не взехме предвид динамиката на уплътняване между началното и крайното измерване.
Поведението на праха, подаван в непрекъснатия изход, беше анализирано с помощта на автоматизирано оборудване. Измерете точно коефициента на Хауснер Hr, началната плътност ρ(0) и крайната плътност ρ(n) след n щраквания.
Броят на потупванията обикновено е фиксиран на n=500. GranuPack е автоматизирано и усъвършенствано измерване на плътността на потупване, базирано на скорошни динамични изследвания.
Могат да се използват и други индекси, но те не са предоставени тук. Прахът се поставя в метална тръба чрез строг автоматизиран процес на инициализация. Екстраполацията на динамичния параметър n1/2 и максималната плътност ρ(∞) е премахната от кривата на уплътняване.
Лек кух цилиндър е разположен върху праховия слой, за да поддържа нивелираната граница прах/въздух по време на уплътняването. Тръбата, съдържаща прахообразната проба, се издига до фиксирана височина ΔZ и пада свободно на височина, обикновено фиксирана на ΔZ = 1 mm или ΔZ = 3 mm, която се измерва автоматично след всяко докосване. Изчислете обема V на купчината от височината.
Плътността е съотношението на масата m към обема на праховия слой V. Масата на праха m е известна, плътността ρ се прилага след всеки удар.
Коефициентът на Хауснер Hr е свързан с коефициента на уплътняване и се анализира по уравнението Hr = ρ(500) / ρ(0), където ρ(0) е началната обемна плътност, а ρ(500) е изчисленият поток след 500 цикъла. Плътност от крана. При използване на метода GranuPack, резултатите са възпроизводими, като се използва малко количество прах (обикновено 35 ml).
Свойствата на праха и свойствата на материала, от който е изработено устройството, са ключови параметри. По време на потока, вътре в праха се генерират електростатични заряди поради трибоелектричния ефект, който представлява обмяна на заряди, когато две твърди тела влязат в контакт.
Когато прахът тече вътре в устройството, възниква трибоелектричен ефект при контакта между частиците и при контакта между частиците и устройството.
При контакт с избрания материал, GranuCharge автоматично измерва количеството електростатичен заряд, генериран вътре в праха по време на потока. Прахообразната проба тече във вибриращата V-образна тръба и попада във Фарадеева чаша, свързана с електрометър, който измерва заряда, придобит при движението на праха във V-образната тръба. За възпроизводими резултати използвайте въртящо се или вибриращо устройство за често подаване на V-образните тръби.
Трибоелектричният ефект кара един обект да приема електрони на повърхността си и по този начин да се зареди отрицателно, докато друг обект губи електрони и по този начин се зарежда положително. Някои материали приемат електрони по-лесно от други и по подобен начин други материали губят електрони по-лесно.
Кой материал става отрицателен и кой става положителен зависи от относителната склонност на участващите материали да получават или губят електрони. За да се представят тези тенденции, е разработена трибоелектричната серия, показана в Таблица 1. Изброени са материали с тенденция на положителен заряд и други с тенденция на отрицателен заряд, а методите за материали, които не показват никаква тенденция в поведението, са изброени в средата на таблицата.
От друга страна, таблицата предоставя информация само за тенденциите в поведението на зареждане на материалите, така че GranuCharge е създаден, за да предоставя точни числени стойности за поведението на зареждане на прахове.
Проведени са няколко експеримента за анализ на термичното разлагане. Пробите са поставени при 200°C за един до два часа. След това прахът е незабавно анализиран с GranuDrum (горещ метод). След това прахът е поставен в контейнер, докато достигне стайна температура, и след това е анализиран с GranuDrum, GranuPack и GranuCharge (т.е. „студен метод“).
Суровите проби бяха анализирани с помощта на GranuPack, GranuDrum и GranuCharge при една и съща влажност/температура в помещението (т.е. 35,0 ± 1,5% относителна влажност и температура 21,0 ± 1,0 °C).
Индексът на кохезия изчислява течливостта на праховете и корелира с промените в положението на границата на раздела (прах/въздух), която е резултат само от три контактни сили (ван дер Ваалсова, капилярна и електростатична). Преди експеримента бяха записани относителната влажност на въздуха (RH, %) и температурата (°C). След това прахът беше изсипан в барабана и експериментът започна.
Заключихме, че тези продукти не са податливи на агломерация, когато се вземат предвид тиксотропните параметри. Интересното е, че термичното напрежение промени реологичното поведение на праховете от проби А и Б от сгъстяване при срязване до изтъняване при срязване. От друга страна, проби C и SS 316L не бяха повлияни от температурата и показаха само сгъстяване при срязване. Всеки прах имаше по-добра разстилаемост (т.е. по-нисък индекс на кохезия) след нагряване и охлаждане.
Температурният ефект зависи и от специфичната площ на частиците. Колкото по-висока е топлопроводимостта на материала, толкова по-голям е ефектът върху температурата (т.е. ???225°?=250?.?-1.?-1) и ???316?. 225°?=19?.?-1.?-1). Колкото по-малка е частицата, толкова по-голям е ефектът от температурата. Праховете от алуминиеви сплави са отлични за приложения при висока температура поради повишената им размазваемост и дори охладените образци постигат по-добра течливост от оригиналните прахове.
За всеки експеримент с GranuPack, масата на праха е била записвана преди всеки експеримент, а пробата е била ударена 500 пъти с честота на удара 1 Hz със свободно падане от 1 mm в измервателната клетка (енергия на удара ∝). Пробата се дозира в измервателната клетка съгласно инструкциите на софтуера, независими от потребителя. След това измерванията са повторени два пъти, за да се оцени възпроизводимостта и са изследвани средната стойност и стандартното отклонение.
След завършване на GranuPack анализа, са показани началната обемна плътност (ρ(0)), крайната обемна плътност (при множество потупвания, n = 500, т.е. ρ(500)), коефициентът на Хауснер/индексът на Кар (Hr/Cr) и два регистрационни параметъра (n1/2 и τ), свързани с кинетиката на уплътняване. Показана е и оптималната плътност ρ(∞) (вижте Приложение 1). Таблицата по-долу преструктурира експерименталните данни.
Фигури 6 и 7 показват общата крива на уплътняване (обемна плътност спрямо броя на ударите) и съотношението на параметрите n1/2/Hausner. На всяка крива са показани грешки, изчислени с помощта на средната стойност, а стандартните отклонения са изчислени чрез тест за повторяемост.
Продуктът от неръждаема стомана 316L е най-тежкият продукт (ρ(0) = 4,554 g/mL). По отношение на плътността при потупване, SS 316L остава най-тежкият прах (ρ(n) = 5,044 g/mL), следван от Проба A (ρ(n) = 1,668 g/mL), следван от Проба B (ρ(n) = 1,668 g/ml). (n) = 1,645 g/ml). Проба C е с най-ниска плътност (ρ(n) = 1,581 g/mL). Според обемната плътност на първоначалния прах виждаме, че проба A е най-леката и като се вземат предвид грешките (1,380 g/ml), пробите B и C имат приблизително еднаква стойност.
С нагряването на праха, коефициентът на Хауснер намалява, като това се наблюдава само при проби B, C и SS 316L. За проба A това не беше възможно поради размера на грешките. За n1/2, подчертаването на параметричната тенденция е по-сложно. За проба A и SS 316L стойността на n1/2 намалява след 2 часа при 200°C, докато за прахове B и C се увеличава след термично натоварване.
За всеки експеримент с GranuCharge е използван вибриращ подавател (виж Фигура 8). Използвани са тръби от неръждаема стомана 316L. Измерванията са повторени 3 пъти, за да се оцени възпроизводимостта. Теглото на продукта, използван за всяко измерване, е приблизително 40 ml и след измерването не е възстановен прах.
Преди експеримента бяха записани теглото на праха (mp, g), относителната влажност на въздуха (RH, %) и температурата (°C). В началото на теста беше измерена плътността на заряда на първичния прах (q0 в µC/kg) чрез поставяне на праха в чаша на Фарадей. Накрая масата на праха беше фиксирана и бяха изчислени крайната плътност на заряда (qf, µC/kg) и Δq (Δq = qf – q0) в края на експеримента.
Суровите данни от GranuCharge са показани в Таблица 2 и Фигура 9 (σ е стандартното отклонение, изчислено от резултатите от теста за възпроизводимост), а резултатите са показани като хистограма (показани са само q0 и Δq). SS 316L има най-ниското начално зареждане; това може да се дължи на факта, че този продукт има най-високата PSD (скоростна емкост на зареждане). Що се отнася до началното зареждане на прах от първична алуминиева сплав, не могат да се направят заключения поради размера на грешките.
След контакт с тръба от неръждаема стомана 316L, проба А е получила най-малко количество заряд, докато праховете B и C са показали подобна тенденция. Ако прахът SS 316L се е втрил в SS 316L, е установена плътност на заряда, близка до 0 (вижте трибоелектричната серия). Продукт B е все още по-зареден от A. За проба C тенденцията продължава (положителен начален заряд и краен заряд след изтичане), но броят на зарядите се увеличава след термично разграждане.
След 2 часа термично натоварване при 200 °C, поведението на праха става много интересно. В проби А и Б, началният заряд намалява и крайният заряд се измества от отрицателен към положителен. Прахът SS 316L има най-висок начален заряд и промяната в плътността на заряда му става положителна, но остава ниска (т.е. 0,033 nC/g).
Изследвахме ефекта на термичното разграждане върху комбинираното поведение на прахове от алуминиева сплав (AlSi10Mg) и неръждаема стомана 316L, докато оригиналните прахове бяха анализирани след 2 часа при 200°C на въздух.
Използването на прахове при повишени температури може да подобри течливостта на продукта, ефект, който изглежда е по-важен за прахове с висока специфична площ и материали с висока топлопроводимост. GranuDrum беше използван за оценка на течливостта, GranuPack беше използван за динамичен анализ на опаковането, а GranuCharge беше използван за анализ на трибоелектричеството на прах в контакт с тръба от неръждаема стомана 316L.
Тези резултати бяха определени с помощта на GranuPack, който показа подобрение в коефициента на Хауснер за всеки прах (с изключение на проба А, поради размера на грешките) след процеса на термично напрежение. Не беше открита ясна тенденция за параметъра на опаковане (n1/2), тъй като някои продукти показаха увеличение на скоростта на опаковане, докато други имаха контрастен ефект (напр. проби B и C).