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A fabricazione additiva (AM) implica a creazione d'uggetti 3D, una strata ultra-sottile à u tempu, facendu più caru di u trasfurmazioni tradiziunali.Tuttavia, solu una piccula parte di u polu hè saldata à u cumpunente durante u prucessu di assemblea.U restu ùn si fusione, perchè ponu esse reutilizati.In cuntrastu, se l'ughjettu hè creatu in u modu classicu, di solitu esige fresatura è machining per sguassà materiale.
E proprietà di u polu determinanu i paràmetri di a macchina è deve esse cunsideratu in u primu locu.U costu di l'AM ùn saria micca ecunomicu datu chì u polveru unmelted hè contaminatu è micca riciclabile.A degradazione di u polveru risultatu in dui fenomeni: mudificazione chimica di u produttu è cambiamenti in e proprietà meccaniche cum'è a morfologia è a distribuzione di particella.
In u primu casu, u compitu principalu hè di creà strutturi solidi chì cuntenenu ligami puri, cusì avemu bisognu di evità a contaminazione di u polu, per esempiu, cù ossidi o nitruri.In l'ultimu fenomenu, sti paràmetri sò assuciati cù fluidità è spreadability.Per quessa, ogni cambiamentu in e proprietà di u polu pò purtà à una distribuzione non uniforme di u pruduttu.
Dati da publicazioni recenti indicanu chì i flussi classici ùn ponu micca furnisce infurmazioni adatte nantu à a distribuzione di u polu in AM basatu nantu à u lettu di polveri.In quantu à a caratterizzazione di a materia prima (o in polvere), ci sò parechji metudi di misurazione pertinenti nantu à u mercatu chì ponu suddisfà stu requisitu.U statu di stress è u campu di flussu di polvera deve esse listessi in a stallazione di misurazione è in u prucessu.A prisenza di carichi compressivi hè incompatibile cù u flussu di superficia libera utilizata in i dispositi IM in teste di taglioli è reometri classici.
GranuTools hà sviluppatu un flussu di travagliu per caratterizà a polvera AM.U nostru scopu principale hè di equipà ogni geometria cù un strumentu di simulazione di prucessu precisu, è questu flussu di travagliu hè utilizatu per capiscenu è seguità l'evoluzione di a qualità di polvera in diversi prucessi di stampa.Diversi leghe d'aluminiu standard (AlSi10Mg) sò stati scelti per diverse durazioni à diverse carichi termichi (da 100 à 200 ° C).
A degradazione termale pò esse cuntrullata analizendu a capacità di u polu per accumulà una carica elettrica.I polveri sò stati analizati per a fluidità (strumentu GranuDrum), a cinetica di imballaggio (strumentu GranuPack) è u cumpurtamentu elettrostaticu (strumentu GranuCharge).E misure cinetiche di coesione è di imballaggio sò adattate per seguità a qualità di a polvera.
I polveri chì sò faciuli d'applicà mostraranu indici di coesione bassu, mentre chì i polveri cù dinamica di riempimentu veloce pruduceranu parti meccaniche cù porosità più bassa cumparatu cù i prudutti più difficiuli di riempie.
Dopu parechji mesi di almacenamentu in u nostru laburatoriu, sò stati scelti trè polveri d'alea d'aluminiu cù e diverse distribuzioni di particella (AlSi10Mg) è una mostra d'acciaio inossidabile 316L, quì riferite cum'è samples A, B è C. I pruprietà di i campioni pò esse diffirenti da altri fabricatori.A distribuzione di a dimensione di particella di mostra hè stata misurata da l'analisi di diffrazione laser / ISO 13320.
Perchè cuntrullanu i paràmetri di a machina, e proprietà di u polveru deve esse cunsideratu prima, è se i polveri unmelted sò cunsiderate contaminati è micca riciclabili, a fabricazione additiva ùn hè micca cusì ecunomica cum'è unu puderia sperà.Per quessa, trè parametri seranu investigati: flussu di polvera, dinamica di imballaggio è elettrostatica.
Spreadability hè ligata à l'uniformità è a "smussità" di a capa di polveri dopu l'operazione di ricoating.Questu hè assai impurtante chì e superfici lisce sò più faciuli di stampà è ponu esse esaminati cù l'utillita GranuDrum cù a misura di l'indice di aderenza.
Perchè i pori sò punti debbuli in un materiale, ponu purtà à cracks.A dinamica di riempimentu hè u sicondu paràmetru chjave postu chì i polveri di riempimentu rapidu furnisce una porosità bassa.Stu cumpurtamentu hè misuratu cù GranuPack cù un valore di n1/2.
A prisenza di carichi elettrici in u polu crea forze cohesive chì portanu à a furmazione di agglomerati.GranuCharge misura a capacità di i polveri per generà una carica elettrostatica quandu in cuntattu cù materiali selezziunati durante u flussu.
Durante u processu, GranuCharge pò predice a deteriorazione di u flussu, per esempiu, quandu si forma una capa in AM.Cusì, e misure ottenute sò assai sensittivi à u statu di a superficia di u granu (ossidazione, contaminazione è rugosità).L'anzianu di a polvera ricuperata pò esse quantificata accuratamente (± 0,5 nC).
U GranuDrum hè un metudu di misurazione di u flussu di polvere programatu basatu annantu à u principiu di u tamburinu rotanti.A mità di a mostra di polvere hè cuntenuta in un cilindru horizontale cù pareti laterali trasparenti.U tamburinu gira intornu à u so assi à una velocità angulare di 2 à 60 rpm, è a camera CCD piglia foto (da 30 à 100 imagine à intervalli di 1 segundu).L'interfaccia d'aria / polvera hè identificata nantu à ogni maghjina utilizendu un algoritmu di rilevazione di bordu.
Calculate a pusizione media di l'interfaccia è l'oscillazioni intornu à sta pusizione media.Per ogni vitezza di rotazione, l'angolo di flussu (o "angolo dinamicu di riposu") αf hè calculatu da a pusizione media di l'interfaccia, è u fattore di coesione dinamica σf assuciatu à l'intergrain bonding hè analizatu da fluttuazioni di l'interfaccia.
L'angolo di flussu hè affettatu da una quantità di parametri: attritu, forma è coesione trà e particelle (van der Waals, forze elettrostatiche è capillari).I polveri cohesive risultanu in un flussu intermittenti, mentre chì i polveri non viscosi risultatu in un flussu regulare.I valori bassi di l'angolo di flussu αf currispondenu à un bonu flussu.Un indice di aderenza dinamica vicinu à u cero currisponde à un polveru non cohesiu, cusì cum'è l'aderenza di a polvera aumenta, l'indice di aderenza aumenta in cunseguenza.
GranuDrum permette di misurà u primu angulu di l'avalanche è l'aerazione di a polvera durante u flussu, è ancu di misurà l'indice d'aderenza σf è l'angolo di flussu αf secondu a velocità di rotazione.
A densità di massa di GranuPack, a densità di tapping è e misurazioni di u rapportu Hausner (cunnisciutu ancu com'è "test di tapping") sò ideali per a carattarizazione di polveri per via di a so facilità è rapidità di misurazione.A densità di u polu è a capacità di aumentà a so densità sò paràmetri impurtanti durante l'almacenamiento, u trasportu, l'agglomerazione, etc. I prucedure ricumandate sò delineate in a Farmacopea.
Questa prova simplice hà trè inconvenienti maiò.A misura dipende di l'operatore, è u metudu di riempimentu affetta u voluminu iniziale di u polu.A misurazione di u voluminu tutale pò purtà à gravi errori in i risultati.A causa di a simplicità di l'esperimentu, ùn avemu micca cunsideratu a dinamica di compactazione trà e misure iniziali è finali.
U cumpurtamentu di u polu alimentatu in l'outlet cuntinuu hè statu analizatu cù l'equipaggiu automatizatu.Mesurez avec précision le coefficient de Hausner Hr, la densité initiale ρ(0) et la densité finale ρ(n) après n clics.
U numaru di taps hè di solitu fissu à n = 500.U GranuPack hè una misurazione di densità di tapping automatizata è avanzata basata nantu à ricerche dinamiche recenti.
Altri indici ponu esse usatu, ma ùn sò micca furniti quì.A polvera hè posta in un tubu di metallu per mezu di un rigurosu prucessu d'inizializazione automatizatu.L'estrapolazione di u paràmetru dinamicu n1/2 è a densità massima ρ(∞) hè stata eliminata da a curva di compactazione.
Un cilindru cavu ligeru si trova nantu à u lettu di polvera per mantene u livellu di l'interfaccia di polvera / aria durante a compattazione.U tubu chì cuntene l'esemplariu in polvere s'eleva à una altezza fissa ΔZ è casca liberamente à una altezza di solitu fissata à ΔZ = 1 mm o ΔZ = 3 mm, chì hè automaticamente misurata dopu ogni toccu.Calculà u vulume V di a pila da l'altitudine.
A densità hè a rapportu di a massa m à u voluminu di a capa di polveri V. A massa di u polveru m hè cunnisciuta, a densità ρ hè appiicata dopu à ogni impattu.
U coefficient di Hausner Hr hè in relazione cù u fattore di compactazione è hè analizatu da l'equazioni Hr = ρ(500) / ρ(0), induve ρ(0) hè a densità apparente iniziale è ρ(500) hè u flussu calculatu dopu à 500 cicli.Toccu di densità.Quandu s'utilice u metudu GranuPack, i risultati sò riproducibili cù una piccula quantità di polvere (di solitu 35 ml).
E proprietà di u polu è e proprietà di u materiale da quale u dispusitivu hè fattu sò parametri chjave.Durante u flussu, i carichi elettrostatici sò generati in u polu per via di l'effettu triboelettricu, chì hè u scambiu di carichi quandu dui solidi entranu in cuntattu.
Quandu u polu scorri in u dispusitivu, un effettu triboelettricu si verifica à u cuntattu trà e particeddi è à u cuntattu trà e particeddi è u dispusitivu.
À u cuntattu cù u materiale sceltu, u GranuCharge misura automaticamente a quantità di carica elettrostatica generata in u polu durante u flussu.A mostra di polvere scorri in u tubu V vibrante è cade in una tazza di Faraday cunnessa à un elettrometru chì misura a carica acquistata mentre a polvera si move in u tubu V.Per risultati riproducibili, aduprate un dispositivu rotanti o vibratori per alimentà i tubi in V spessu.
L'effettu triboelettricu face chì un oggettu guadagnà l'elettroni nantu à a so superficia è cusì diventa carica negativamente, mentre chì un altru ogettu perde l'elettroni è diventa cusì pusitivu.Certi materiali guadagnanu l'elettroni più faciule ch'è l'altri, è l'altri materiali perdenu l'elettroni più facilmente.
Quale materiale diventa negativu è quale diventa pusitivu dipende da a propensione relative di i materiali implicati à guadagnà o perde elettroni.Per rapprisintà queste tendenze, a serie triboelettrica mostrata in a Tabella 1 hè stata sviluppata.Materiali cù una tendenza di carica pusitiva è altri cù una tendenza di carica negativa sò listati, è i metudi di materiale chì ùn mostranu nisuna tendenza di cumportamentu sò listati à mezu à a tavula.
Per d 'altra banda, a tavula furnisce solu infurmazioni nantu à e tendenze in u cumpurtamentu di carica di i materiali, cusì GranuCharge hè statu creatu per furnisce valori numerichi precisi per u cumpurtamentu di carica di polveri.
Diversi esperimenti sò stati fatti per analizà a descomposizione termale.I campioni sò stati posti à 200 ° C per una à duie ore.U polveru hè dopu analizatu immediatamente cù GranuDrum (nome caldu).A polvera hè stata poi pusata in un cuntainer finu à a temperatura di l'ambienti è dopu analizata cù GranuDrum, GranuPack è GranuCharge (vale à dì "freddo").
I campioni crudi sò stati analizati cù GranuPack, GranuDrum è GranuCharge à a stessa umidità / temperatura di a stanza (vale à dì 35,0 ± 1,5% RH è 21,0 ± 1,0 ° C di temperatura).
L'indici di coesione calcula a fluidità di i polveri è correlate cù i cambiamenti in a pusizione di l'interfaccia (polvere / aria), chì hè solu trè forze di cuntattu (van der Waals, forze capillari è elettrostatiche).Prima di l'esperimentu, l'umidità relativa (RH, %) è a temperatura (°C) sò stati registrati.Allora u polu hè stata versata in u tamburinu, è l'esperimentu cuminciò.
Avemu cunclusu chì questi prudutti ùn sò micca suscettibili à l'agglomerazione quandu cunzidenu i paràmetri tixotropici.Curiosamente, u stress termale hà cambiatu u cumpurtamentu reologicu di i polveri di i campioni A è B da l'espessimentu di cisura à l'arrugginimentu di cisura.D'autre part, les échantillons C et SS 316L n'ont pas été affectés par la température et n'ont montré qu'un épaississement de cisaillement.Ogni pulveru hà avutu megliu spreadability (vale à dì un indice di coesione più bassu) dopu à riscaldamentu è rinfrescante.
L'effettu di a temperatura dipende ancu da a zona specifica di e particelle.A più alta a conductività termale di u materiale, u più grande l'effettu nantu à a temperatura (ie ???225°?=250?.?-1.?-1) è ???316?.225°?=19?.?-1.?-1) U più chjucu a particella, u più grande l'effettu di a temperatura.I polveri d'alea d'aluminiu sò eccellenti per l'applicazioni à alta temperatura per via di a so spreadability aumentata, è ancu i specimens rinfriscati ottennu una fluidità megliu cà i polveri originali.
Per ogni esperimentu GranuPack, a massa di u polu hè stata registrata prima di ogni esperimentu, è a mostra hè stata culpita 500 volte cù una freccia d'impattu di 1 Hz cù una caduta libera di 1 mm in a cellula di misurazione (energia d'impattu ∝).A mostra hè dispensata in a cellula di misurazione secondu l'istruzzioni di u software indipendenti di l'utilizatori.Allora e misurazioni sò state ripetute duie volte per valutà a riproducibilità è anu investigatu a media è a deviazione standard.
Dopu chì l'analisi GranuPack hè finita, a densità apparente iniziale (ρ(0)), a densità apparente finale (à più taps, n = 500, vale à dì ρ(500)), u rapportu di Hausner / indice di Carr (Hr/Cr) è dui parametri di registrazione (n1/2 è τ) in relazione à a cinetica di compactazione.A densità ottimale ρ(∞) hè ancu mostrata (vede l'Appendice 1).A tabella sottu ristruttura i dati sperimentali.
I Figuri 6 è 7 mostranu a curva di compattazione generale (densità di massa versus nùmeru di impatti) è u rapportu di paràmetru n1/2/Hausner.E barre d'errore calculate utilizendu a media sò mostrate nantu à ogni curva, è e deviazioni standard sò state calculate da teste di ripetibilità.
U pruduttu in acciaio inox 316L era u pruduttu più pesante (ρ(0) = 4.554 g/mL).In termini di densità di tapping, SS 316L resta a polvere più pesante (ρ(n) = 5,044 g/mL), seguita da Sample A (ρ (n) = 1,668 g/mL), seguita da Sample B (ρ (n) = 1,668 g/ml)./ml) (n) = 1,645 g/ml).L'échantillon C était le plus bas (ρ(n) = 1,581 g/mL).Sicondu a densità grossa di u polu iniziale, vedemu chì a mostra A hè a più ligera, è tenendu in contu l'errore (1,380 g / ml), i campioni B è C anu apprussimatamente u listessu valore.
Quandu u polu hè riscaldatu, u so rapportu Hausner diminuisce, è questu solu accade cù i campioni B, C è SS 316L.Per a mostra A, ùn era micca pussibule di fà per via di a dimensione di e barre d'errore.Per n1 / 2, a tendenza parametrica sottulinea hè più cumplessa.Per a mostra A è SS 316L, u valore di n1 / 2 diminuite dopu à 2 h à 200 ° C, mentre chì per i polveri B è C hà aumentatu dopu a carica termica.
Un alimentatore vibrante hè stata utilizata per ogni esperimentu GranuCharge (vede a Figura 8).Aduprate tubi in acciaio inox 316L.E misurazioni sò state ripetute 3 volte per evaluà a riproducibilità.U pesu di u pruduttu utilizatu per ogni misurazione era di circa 40 ml è nisuna polvera hè stata recuperata dopu a misurazione.
Prima di l'esperimentu, u pesu di u polu (mp, g), l'umidità relativa di l'aire (RH, %) è a temperatura (° C) sò stati registrati.À l'iniziu di a prova, a densità di carica di u polu primariu (q0 in µC / kg) hè stata misurata mettendu a polvera in una tazza di Faraday.Infine, a massa di polvere hè stata fissata è a densità di carica finali (qf, µC/kg) è Δq (Δq = qf - q0) à a fine di l'esperimentu sò stati calculati.
I dati GranuCharge crudi sò mostrati in a Tabella 2 è a Figura 9 (σ hè a deviazione standard calculata da i risultati di a prova di riproducibilità), è i risultati sò mostrati cum'è un histogramma (solu q0 è Δq sò mostrati).SS 316L hà a carica iniziale più bassu;chistu pò esse duvuta à u fattu chì stu pruduttu hà u PSD più altu.Quandu si tratta di carica iniziale di polvere di lega d'aluminiu primariu, ùn si ponu micca cunclusioni per via di a dimensione di l'errori.
Dopu u cuntattu cù una pipa d'acciaio inossidabile 316L, a mostra A hà ricivutu a quantità minima di carica, mentre chì i polveri B è C anu dimustratu una tendenza simile, se a polvera SS 316L hè stata strufinata contr'à SS 316L, una densità di carica vicinu à 0 hè stata trovata (vede a serie triboelettrica).U pruduttu B hè sempre più carcu cà A. Per a mostra C, a tendenza cuntinueghja (carica iniziale pusitiva è carica finali dopu a fuga), ma u numeru di carichi aumenta dopu a degradazione termale.
Dopu à 2 ore di stress termale à 200 ° C, u cumpurtamentu di u polu diventa assai interessante.In i campioni A è B, a carica iniziale diminuì è a carica finale si trasfirìu da negativa à pusitiva.U polveru SS 316L hà avutu a carica iniziale più altu è u so cambiamentu di densità di carica hè diventatu pusitivu, ma hè statu bassu (ie 0.033 nC / g).
Avemu investigatu l'effettu di a degradazione termale nantu à u cumpurtamentu cumminatu di l'alea d'aluminiu (AlSi10Mg) è i polveri d'acciaio inox 316L, mentre chì i polveri originali sò stati analizati dopu à 2 ore à 200 ° C in l'aria.
L'usu di polveri à temperature elevate pò migliurà a fluidità di u produttu, un effettu chì pare esse più impurtante per i polveri cù una zona specifica alta è materiali cù una alta conductività termale.GranuDrum hè stata utilizata per valutà u flussu, GranuPack hè stata utilizata per l'analisi dinamica di l'imballaggio, è GranuCharge hè stata utilizata per analizà a triboelectricità di u polu in cuntattu cù a pipa d'acciaio inox 316L.
Questi risultati sò stati determinati utilizendu GranuPack, chì hà dimustratu una migliione di u coefficient Hausner per ogni polvera (cù l'eccezzioni di a mostra A, per via di a dimensione di l'errore) dopu à u prucessu di stress termale.Nisuna tendenza chjara hè stata truvata per u paràmetru di imballaggio (n1 / 2) cum'è certi prudutti anu mostratu un aumentu di a velocità di imballaggio mentre chì altri avianu un effettu cuntrastanti (per esempiu, Samples B è C).