Pro zlepšení vašeho zážitku používáme soubory cookie. Pokračováním v prohlížení těchto stránek souhlasíte s používáním souborů cookie. Další informace.
Aditivní výroba (AM) zahrnuje vytváření 3D objektů, jednu ultratenkou vrstvu po druhé, což ji činí dražší než tradiční zpracování. Během procesu montáže se však k součásti přivaří pouze malá část prášku. Zbytek se netaví, takže jej lze znovu použít. Naproti tomu, pokud je objekt vytvořen klasickým způsobem, obvykle vyžaduje frézování a obrábění k odstranění materiálu.
Vlastnosti prášku určují parametry stroje a je nutné je v první řadě zohlednit. Náklady na aditivní výrobu by nebyly ekonomické vzhledem k tomu, že neroztavený prášek je kontaminovaný a nerecyklovatelný. Degradace prášku má za následek dva jevy: chemickou modifikaci produktu a změny mechanických vlastností, jako je morfologie a distribuce velikosti částic.
V prvním případě je hlavním úkolem vytvořit pevné struktury obsahující čisté slitiny, takže se musíme vyhnout kontaminaci prášku, například oxidy nebo nitridy. V druhém případě jsou tyto parametry spojeny s tekutostí a roztíratelností. Jakákoli změna vlastností prášku proto může vést k nerovnoměrnému rozložení produktu.
Data z nedávných publikací naznačují, že klasické průtokoměry nemohou poskytnout dostatečné informace o distribuci prášku v aditivu na základě práškového lože. Pokud jde o charakterizaci suroviny (nebo prášku), na trhu existuje několik relevantních metod měření, které mohou tento požadavek splnit. Stav napětí a pole proudění prášku musí být stejné v měřicím nastavení i v procesu. Přítomnost tlakových zatížení je neslučitelná s volným povrchovým tokem používaným v zařízeních pro IM ve smykových testerech a klasických reometrech.
Společnost GranuTools vyvinula pracovní postup pro charakterizaci prášku aditivní výroby (AM). Naším hlavním cílem je vybavit každou geometrii přesným nástrojem pro simulaci procesu a tento pracovní postup se používá k pochopení a sledování vývoje kvality prášku v různých tiskových procesech. Bylo vybráno několik standardních hliníkových slitin (AlSi10Mg) pro různou dobu trvání při různém tepelném zatížení (od 100 do 200 °C).
Tepelnou degradaci lze kontrolovat analýzou schopnosti prášku akumulovat elektrický náboj. Prášky byly analyzovány z hlediska tekutosti (přístroj GranuDrum), kinetiky plnění (přístroj GranuPack) a elektrostatických vlastností (přístroj GranuCharge). Měření koheze a kinetiky plnění jsou vhodná pro sledování kvality prášku.
Prášky, které se snadno nanášejí, vykazují nízké indexy soudržnosti, zatímco prášky s rychlou dynamikou plnění vytvářejí mechanické díly s nižší porézností ve srovnání s obtížněji plnitelnými produkty.
Po několika měsících skladování v naší laboratoři byly vybrány tři prášky hliníkových slitin s různým distribucí velikosti částic (AlSi10Mg) a jeden vzorek nerezové oceli 316L, zde označované jako vzorky A, B a C. Vlastnosti vzorků se mohou lišit od jiných výrobců. Distribuce velikosti částic vzorku byla měřena laserovou difrakční analýzou/ISO 13320.
Protože aditivní výroba řídí parametry stroje, je třeba nejprve zvážit vlastnosti prášku, a pokud jsou neroztavené prášky považovány za kontaminované a nerecyklovatelné, pak není tak ekonomická, jak by se dalo doufat. Proto budou zkoumány tři parametry: tok prášku, dynamika balení a elektrostatika.
Roztíratelnost souvisí s rovnoměrností a „hladkostí“ práškové vrstvy po nanesení dalšího nátěru. To je velmi důležité, protože hladké povrchy se snáze tisknou a lze je zkoumat pomocí nástroje GranuDrum s měřením indexu adheze.
Protože póry jsou slabými místy materiálu, mohou vést ke vzniku trhlin. Dynamika plnění je druhým klíčovým parametrem, protože rychle se plnící prášky poskytují nízkou poréznost. Toto chování se měří pomocí GranuPacku s hodnotou n1/2.
Přítomnost elektrických nábojů v prášku vytváří kohezní síly, které vedou k tvorbě aglomerátů. GranuCharge měří schopnost prášků generovat elektrostatický náboj při kontaktu s vybranými materiály během toku.
Během zpracování dokáže GranuCharge předpovědět zhoršení toku, například při vytváření vrstvy v aditivní mletí. Získaná měření jsou tedy velmi citlivá na stav povrchu zrna (oxidace, kontaminace a drsnost). Stárnutí regenerovaného prášku lze pak přesně kvantifikovat (±0,5 nC).
GranuDrum je programovaná metoda měření průtoku prášku založená na principu rotujícího bubnu. Polovina vzorku prášku je obsažena v horizontálním válci s průhlednými bočními stěnami. Buben se otáčí kolem své osy úhlovou rychlostí 2 až 60 ot/min a CCD kamera pořizuje snímky (30 až 100 snímků v intervalech 1 sekundy). Rozhraní vzduch/prášek je na každém snímku identifikováno pomocí algoritmu detekce hran.
Vypočítejte průměrnou polohu rozhraní a oscilace kolem této průměrné polohy. Pro každou rychlost otáčení se z průměrné polohy rozhraní vypočítá úhel proudění (neboli „dynamický sypný úhel“) αf a z fluktuací rozhraní se analyzuje faktor dynamické koheze σf spojený s mezizrnnými vazbami.
Úhel proudění je ovlivněn řadou parametrů: třením, tvarem a soudržností mezi částicemi (van der Waalsovy, elektrostatické a kapilární síly). Kohezní prášky vedou k přerušovanému proudění, zatímco neviskózní prášky k pravidelnému proudění. Nízké hodnoty úhlu proudění αf odpovídají dobrému proudění. Dynamický index adheze blízký nule odpovídá nekoheznímu prášku, takže se zvyšující se adhezí prášku se odpovídajícím způsobem zvyšuje i index adheze.
GranuDrum umožňuje měřit první úhel laviny a provzdušnění prášku během proudění, a také měřit index adheze σf a úhel proudění αf v závislosti na rychlosti otáčení.
Měření sypné hustoty, hustoty po potřesení a Hausnerova poměru přístrojem GranuPack (známé také jako „potřepávací testy“) jsou ideální pro charakterizaci prášku díky snadnému a rychlému měření. Hustota prášku a schopnost zvýšit jeho hustotu jsou důležitými parametry během skladování, přepravy, aglomerace atd. Doporučené postupy jsou uvedeny v lékopisu.
Tento jednoduchý test má tři hlavní nevýhody. Měření závisí na operátorovi a způsob plnění ovlivňuje počáteční objem prášku. Měření celkového objemu může vést k závažným chybám ve výsledcích. Vzhledem k jednoduchosti experimentu jsme nezohlednili dynamiku zhutňování mezi počátečním a konečným měřením.
Chování prášku přiváděného do kontinuálního výstupu bylo analyzováno pomocí automatizovaného zařízení. Přesně změřte Hausnerův koeficient Hr, počáteční hustotu ρ(0) a konečnou hustotu ρ(n) po n kliknutích.
Počet odběrů je obvykle pevně stanoven na n=500. GranuPack je automatizované a pokročilé měření hustoty odběru založené na nedávném dynamickém výzkumu.
Lze použít i jiné indexy, ale zde nejsou uvedeny. Prášek se umístí do kovové trubice pomocí přísného automatizovaného inicializačního procesu. Z křivky zhutňování byla odstraněna extrapolace dynamického parametru n1/2 a maximální hustoty ρ(∞).
Na práškovém loži je umístěn lehký dutý válec, který během zhutňování udržuje rozhraní prášek/vzduch v rovině. Trubice obsahující vzorek prášku stoupá do pevné výšky ΔZ a volně klesá ve výšce, obvykle pevné na ΔZ = 1 mm nebo ΔZ = 3 mm, která se automaticky měří po každém dotyku. Vypočítejte objem V hromady z výšky.
Hustota je poměr hmotnosti m k objemu vrstvy prášku V. Hmotnost prášku m je známá, hustota ρ se aplikuje po každém nárazu.
Hausnerův koeficient Hr souvisí s faktorem zhutnění a analyzuje se rovnicí Hr = ρ(500) / ρ(0), kde ρ(0) je počáteční objemová hmotnost a ρ(500) je vypočítaný průtok po 500 cyklech. Měření hustoty. Při použití metody GranuPack jsou výsledky reprodukovatelné s použitím malého množství prášku (obvykle 35 ml).
Vlastnosti prášku a vlastnosti materiálu, ze kterého je zařízení vyrobeno, jsou klíčovými parametry. Během proudění se uvnitř prášku generují elektrostatické náboje v důsledku triboelektrického jevu, což je výměna nábojů při kontaktu dvou pevných látek.
Když prášek proudí uvnitř zařízení, dochází k triboelektrickému jevu v místě kontaktu mezi částicemi a v místě kontaktu mezi částicemi a zařízením.
Po kontaktu s vybraným materiálem GranuCharge automaticky měří množství elektrostatického náboje generovaného uvnitř prášku během toku. Vzorek prášku proudí uvnitř vibrující V-trubice a padá do Faradayovy nádobky připojené k elektrometru, který měří náboj získaný při pohybu prášku uvnitř V-trubice. Pro reprodukovatelné výsledky používejte k častému podávání do V-trubic rotační nebo vibrační zařízení.
Triboelektrický jev způsobuje, že jeden objekt na svém povrchu získává elektrony a tím se stává záporně nabitým, zatímco jiný objekt elektrony ztrácí a tím se stává kladně nabitým. Některé materiály elektrony získávají snadněji než jiné a podobně jiné materiály elektrony snadněji ztrácejí.
To, který materiál se stane negativním a který kladným, závisí na relativním sklonu daných materiálů k získávání nebo ztrácení elektronů. Pro znázornění těchto trendů byla vyvinuta triboelektrická řada uvedená v tabulce 1. Jsou zde uvedeny materiály s trendem kladného náboje a další materiály se trendem záporného náboje a materiálové metody, které nevykazují žádný behaviorální trend, jsou uvedeny uprostřed tabulky.
Na druhou stranu tabulka poskytuje pouze informace o trendech v chování materiálů při nabíjení, takže GranuCharge byl vytvořen proto, aby poskytoval přesné číselné hodnoty chování prášků při nabíjení.
Bylo provedeno několik experimentů k analýze tepelného rozkladu. Vzorky byly umístěny do teploty 200 °C po dobu jedné až dvou hodin. Prášek byl poté okamžitě analyzován pomocí GranuDrum (horký název). Prášek byl poté umístěn do nádoby, dokud nedosáhl okolní teploty, a poté analyzován pomocí GranuDrum, GranuPack a GranuCharge (tj. „studený“).
Nezpracované vzorky byly analyzovány pomocí GranuPack, GranuDrum a GranuCharge při stejné pokojové vlhkosti/teplotě (tj. 35,0 ± 1,5 % relativní vlhkosti a teplotě 21,0 ± 1,0 °C).
Index koheze vypočítává tekutost prášků a koreluje se změnami polohy rozhraní (prášek/vzduch), což jsou pouze tři kontaktní síly (van der Waalsova, kapilární a elektrostatická síla). Před experimentem byla zaznamenána relativní vlhkost vzduchu (RH, %) a teplota (°C). Poté byl prášek nasypán do bubnu a experiment začal.
Došli jsme k závěru, že tyto produkty nejsou náchylné k aglomeraci s ohledem na tixotropní parametry. Je zajímavé, že tepelné namáhání změnilo reologické chování prášků vzorků A a B ze smykového ztluštění na smykové ztenčení. Na druhou stranu vzorky C a SS 316L nebyly teplotou ovlivněny a vykazovaly pouze smykové ztluštění. Každý prášek měl po zahřátí a ochlazení lepší roztíratelnost (tj. nižší index koheze).
Vliv teploty závisí také na specifické ploše částic. Čím vyšší je tepelná vodivost materiálu, tím větší je vliv teploty (tj. ???225°?=250?.?-1.?-1) a ???316?. 225°?=19?.?-1.?-1). Čím menší je částice, tím větší je vliv teploty. Prášky hliníkových slitin jsou vynikající pro aplikace při vysokých teplotách díky své zvýšené roztíratelnosti a i ochlazené vzorky dosahují lepší tekutosti než původní prášky.
Pro každý experiment GranuPack byla před každým experimentem zaznamenána hmotnost prášku a vzorek byl 500krát zasažen nárazovou frekvencí 1 Hz s volným pádem 1 mm v měřicí cele (energie nárazu ∝). Vzorek byl dávkován do měřicí cely podle instrukcí uživatelsky nezávislého softwaru. Poté byla měření dvakrát opakována pro posouzení reprodukovatelnosti a byl vyšetřen průměr a směrodatná odchylka.
Po dokončení analýzy GranuPack je uvedena počáteční objemová hustota (ρ(0)), konečná objemová hustota (při vícenásobném poklepání, n = 500, tj. ρ(500)), Hausnerův poměr/Carrův index (Hr/Cr) a dva registrační parametry (n1/2 a τ) související s kinetikou zhutňování. Je také uvedena optimální hustota ρ(∞) (viz Dodatek 1). Níže uvedená tabulka restrukturalizuje experimentální data.
Obrázky 6 a 7 znázorňují celkovou křivku zhutňování (objemová hustota versus počet nárazů) a poměr parametrů n1/2/Hausner. Na každé křivce jsou zobrazeny chybové úsečky vypočítané s použitím průměru a směrodatné odchylky byly vypočítány testem opakovatelnosti.
Nejtěžší byl produkt z nerezové oceli 316L (ρ(0) = 4,554 g/ml). Co se týče stěrkové hustoty, nejtěžším práškem zůstává SS 316L (ρ(n) = 5,044 g/ml), následovaný vzorkem A (ρ(n) = 1,668 g/ml) a vzorkem B (ρ(n) = 1,668 g/ml). (n) = 1,645 g/ml). Vzorek C měl nejnižší objemovou hustotu (ρ(n) = 1,581 g/ml). Podle objemové hustoty původního prášku vidíme, že vzorek A je nejlehčí, a s přihlédnutím k chybám (1,380 g/ml) mají vzorky B a C přibližně stejnou hodnotu.
S zahříváním prášku se jeho Hausnerův poměr snižuje, a to se stává pouze u vzorků B, C a SS 316L. U vzorku A nebylo možné provést analýzu kvůli velikosti chybových úseček. Pro n1/2 je zdůraznění parametrického trendu složitější. U vzorku A a SS 316L se hodnota n1/2 po 2 hodinách při 200 °C snížila, zatímco u prášků B a C se po tepelném zatížení zvýšila.
Pro každý experiment GranuCharge byl použit vibrační podavač (viz obrázek 8). Použity byly trubky z nerezové oceli 316L. Měření byla pro posouzení reprodukovatelnosti opakována 3krát. Hmotnost produktu použitého pro každé měření byla přibližně 40 ml a po měření nebyl získán žádný prášek.
Před experimentem byla zaznamenána hmotnost prášku (mp, g), relativní vlhkost vzduchu (RH, %) a teplota (°C). Na začátku testu byla změřena hustota náboje primárního prášku (q0 v µC/kg) umístěním prášku do Faradayovy misky. Nakonec byla hmotnost prášku fixována a byla vypočítána konečná hustota náboje (qf, µC/kg) a Δq (Δq = qf – q0) na konci experimentu.
Nezpracovaná data GranuCharge jsou uvedena v tabulce 2 a na obrázku 9 (σ je směrodatná odchylka vypočítaná z výsledků testu reprodukovatelnosti) a výsledky jsou zobrazeny jako histogram (zobrazeny jsou pouze q0 a Δq). SS 316L má nejnižší počáteční náboj; to může být způsobeno tím, že tento produkt má nejvyšší PSD. Pokud jde o počáteční náboj prášku primární hliníkové slitiny, nelze kvůli velikosti chyb vyvodit žádné závěry.
Po kontaktu s trubkou z nerezové oceli 316L přijal vzorek A nejmenší množství náboje, zatímco prášky B a C vykazovaly podobný trend. Pokud byl prášek SS 316L třen o SS 316L, byla zjištěna hustota náboje blízká 0 (viz triboelektrická řada). Produkt B je stále více nabitý než A. U vzorku C trend pokračuje (kladný počáteční náboj a konečný náboj po úniku), ale počet nábojů se po tepelné degradaci zvyšuje.
Po 2 hodinách tepelného namáhání při 200 °C se chování prášku stává velmi zajímavým. Ve vzorcích A a B se počáteční náboj snížil a konečný náboj se posunul ze záporného na kladný. Prášek SS 316L měl nejvyšší počáteční náboj a změna hustoty jeho náboje se stala kladnou, ale zůstala nízká (tj. 0,033 nC/g).
Zkoumali jsme vliv tepelné degradace na kombinované chování prášků hliníkové slitiny (AlSi10Mg) a nerezové oceli 316L, přičemž původní prášky byly analyzovány po 2 hodinách při 200 °C na vzduchu.
Použití prášků při zvýšených teplotách může zlepšit tekutost produktu, což se zdá být důležitější u prášků s vysokou specifickou plochou a materiálů s vysokou tepelnou vodivostí. GranuDrum byl použit pro vyhodnocení toku, GranuPack pro dynamickou analýzu plnění a GranuCharge pro analýzu triboelektrické aktivity prášku v kontaktu s trubkou z nerezové oceli 316L.
Tyto výsledky byly stanoveny pomocí programu GranuPack, který vykazoval zlepšení Hausnerova koeficientu pro každý prášek (s výjimkou vzorku A, v důsledku velikosti chyb) po procesu tepelného namáhání. U parametru balení (n1/2) nebyl zjištěn žádný jasný trend, protože některé produkty vykazovaly zvýšení rychlosti balení, zatímco jiné měly kontrastní efekt (např. vzorky B a C).