ما از کوکی‌ها برای بهبود تجربه شما استفاده می‌کنیم. با ادامه مرور این سایت، شما با استفاده ما از کوکی‌ها موافقت می‌کنید. اطلاعات تکمیلی
تولید افزایشی (AM) شامل ایجاد اشیاء سه‌بعدی، یک لایه فوق‌العاده نازک در هر زمان است که آن را نسبت به پردازش سنتی گران‌تر می‌کند. با این حال، تنها بخش کوچکی از پودر در طول فرآیند مونتاژ به قطعه جوش داده می‌شود. بقیه ذوب نمی‌شوند، بنابراین می‌توان آنها را دوباره استفاده کرد. در مقابل، اگر جسم به روش کلاسیک ایجاد شود، معمولاً برای حذف مواد نیاز به فرزکاری و ماشینکاری دارد.
خواص پودر، پارامترهای دستگاه را تعیین می‌کند و باید در وهله اول در نظر گرفته شود. هزینه AM با توجه به اینکه پودر ذوب نشده آلوده و قابل بازیافت نیست، اقتصادی نخواهد بود. تخریب پودر منجر به دو پدیده می‌شود: اصلاح شیمیایی محصول و تغییر در خواص مکانیکی مانند مورفولوژی و توزیع اندازه ذرات.
در حالت اول، وظیفه اصلی ایجاد ساختارهای جامد حاوی آلیاژهای خالص است، بنابراین باید از آلودگی پودر، مثلاً با اکسیدها یا نیتریدها، جلوگیری کنیم. در پدیده دوم، این پارامترها با سیالیت و پخش‌پذیری مرتبط هستند. بنابراین، هرگونه تغییر در خواص پودر می‌تواند منجر به توزیع غیر یکنواخت محصول شود.
داده‌های منتشر شده اخیر نشان می‌دهد که جریان‌سنج‌های کلاسیک نمی‌توانند اطلاعات کافی در مورد توزیع پودر در AM بر اساس بستر پودر ارائه دهند. در مورد توصیف ماده اولیه (یا پودر)، چندین روش اندازه‌گیری مرتبط در بازار وجود دارد که می‌توانند این نیاز را برآورده کنند. حالت تنش و میدان جریان پودر باید در دستگاه اندازه‌گیری و در فرآیند یکسان باشند. وجود بارهای فشاری با جریان سطح آزاد مورد استفاده در دستگاه‌های IM در آزمایش‌کننده‌های برشی و رئومترهای کلاسیک ناسازگار است.
GranuTools یک گردش کار برای توصیف پودر AM توسعه داده است. هدف اصلی ما تجهیز هر هندسه به یک ابزار شبیه‌سازی فرآیند دقیق است و این گردش کار برای درک و پیگیری تکامل کیفیت پودر در فرآیندهای مختلف چاپ استفاده می‌شود. چندین آلیاژ آلومینیوم استاندارد (AlSi10Mg) برای مدت زمان‌های مختلف در بارهای حرارتی مختلف (از 100 تا 200 درجه سانتیگراد) انتخاب شدند.
تخریب حرارتی را می‌توان با تجزیه و تحلیل توانایی پودر در تجمع بار الکتریکی کنترل کرد. پودرها از نظر جریان‌پذیری (دستگاه GranuDrum)، سینتیک فشردگی (دستگاه GranuPack) و رفتار الکترواستاتیک (دستگاه GranuCharge) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. اندازه‌گیری‌های چسبندگی و سینتیک فشردگی برای ردیابی کیفیت پودر مناسب هستند.
پودرهایی که به راحتی قابل استفاده هستند، شاخص‌های چسبندگی پایینی نشان می‌دهند، در حالی که پودرهایی با دینامیک پر شدن سریع، قطعات مکانیکی با تخلخل کمتری در مقایسه با محصولات پر شدن دشوارتر تولید می‌کنند.
پس از چند ماه نگهداری در آزمایشگاه ما، سه پودر آلیاژ آلومینیوم با توزیع اندازه ذرات مختلف (AlSi10Mg) و یک نمونه فولاد ضد زنگ 316L انتخاب شدند که در اینجا به عنوان نمونه‌های A، B و C شناخته می‌شوند. خواص نمونه‌ها ممکن است با سایر تولیدکنندگان متفاوت باشد. توزیع اندازه ذرات نمونه با استفاده از آنالیز پراش لیزری/ISO 13320 اندازه‌گیری شد.
از آنجا که آنها پارامترهای دستگاه را کنترل می‌کنند، ابتدا باید خواص پودر در نظر گرفته شود و اگر پودرهای ذوب نشده آلوده و غیرقابل بازیافت در نظر گرفته شوند، تولید افزایشی آنقدر که می‌توان امیدوار بود اقتصادی نیست. بنابراین، سه پارامتر بررسی خواهد شد: جریان پودر، دینامیک بسته‌بندی و الکترواستاتیک.
قابلیت پخش شدن به یکنواختی و «صافی» لایه پودر پس از عملیات پوشش‌دهی مجدد مربوط می‌شود. این موضوع بسیار مهم است زیرا سطوح صاف راحت‌تر چاپ می‌شوند و می‌توان آن را با ابزار GranuDrum با اندازه‌گیری شاخص چسبندگی بررسی کرد.
از آنجا که منافذ نقاط ضعف یک ماده هستند، می‌توانند منجر به ترک شوند. دینامیک پر شدن دومین پارامتر کلیدی است زیرا پودرهای پر کننده سریع، تخلخل کمی را فراهم می‌کنند. این رفتار با GranuPack با مقدار n1/2 اندازه‌گیری می‌شود.
وجود بارهای الکتریکی در پودر، نیروهای چسبنده‌ای ایجاد می‌کند که منجر به تشکیل کلوخه‌ها می‌شود. GranuCharge توانایی پودرها را در تولید بار الکترواستاتیک هنگام تماس با مواد انتخاب شده در حین جریان اندازه‌گیری می‌کند.
در طول پردازش، GranuCharge می‌تواند زوال جریان را پیش‌بینی کند، به عنوان مثال، هنگام تشکیل یک لایه در AM. بنابراین، اندازه‌گیری‌های به‌دست‌آمده به وضعیت سطح دانه (اکسیداسیون، آلودگی و زبری) بسیار حساس هستند. سپس می‌توان پیرشدگی پودر بازیابی‌شده را با دقت (±0.5 نانوکولوم) اندازه‌گیری کرد.
GranuDrum یک روش اندازه‌گیری جریان پودر برنامه‌ریزی‌شده بر اساس اصل چرخش درام است. نیمی از نمونه پودر در یک استوانه افقی با دیواره‌های جانبی شفاف قرار دارد. درام با سرعت زاویه‌ای ۲ تا ۶۰ دور در دقیقه حول محور خود می‌چرخد و دوربین CCD عکس می‌گیرد (از ۳۰ تا ۱۰۰ تصویر با فواصل ۱ ثانیه). سطح مشترک هوا/پودر در هر تصویر با استفاده از یک الگوریتم تشخیص لبه شناسایی می‌شود.
موقعیت میانگین فصل مشترک و نوسانات اطراف این موقعیت میانگین را محاسبه کنید. برای هر سرعت چرخش، زاویه جریان (یا "زاویه دینامیکی سکون") αf از موقعیت میانگین فصل مشترک محاسبه می‌شود و ضریب چسبندگی دینامیکی σf مرتبط با پیوند بین دانه‌ای از نوسانات فصل مشترک تحلیل می‌شود.
زاویه جریان تحت تأثیر تعدادی از پارامترها قرار دارد: اصطکاک، شکل و چسبندگی بین ذرات (نیروهای واندروالسی، الکترواستاتیک و مویینگی). پودرهای چسبنده منجر به جریان متناوب می‌شوند، در حالی که پودرهای غیرچسبنده منجر به جریان منظم می‌شوند. مقادیر پایین زاویه جریان αf مربوط به جریان خوب است. شاخص چسبندگی پویا نزدیک به صفر مربوط به پودر غیرچسبنده است، بنابراین با افزایش چسبندگی پودر، شاخص چسبندگی نیز به همان نسبت افزایش می‌یابد.
GranuDrum به شما امکان می‌دهد زاویه اول بهمن و هوادهی پودر را در حین جریان اندازه‌گیری کنید، همچنین شاخص چسبندگی σf و زاویه جریان αf را بسته به سرعت چرخش اندازه‌گیری کنید.
اندازه‌گیری‌های چگالی حجمی، چگالی ضربه و نسبت هاوسنر (که به عنوان "آزمایش‌های ضربه" نیز شناخته می‌شوند) در GranuPack به دلیل سهولت و سرعت اندازه‌گیری، برای توصیف پودر ایده‌آل هستند. چگالی پودر و توانایی افزایش چگالی آن، پارامترهای مهمی در طول ذخیره‌سازی، حمل و نقل، تراکم و غیره هستند. رویه‌های توصیه شده در فارماکوپه شرح داده شده است.
این آزمایش ساده سه ایراد عمده دارد. اندازه‌گیری به اپراتور بستگی دارد و روش پر کردن بر حجم اولیه پودر تأثیر می‌گذارد. اندازه‌گیری حجم کل می‌تواند منجر به خطاهای جدی در نتایج شود. به دلیل سادگی آزمایش، ما دینامیک تراکم بین اندازه‌گیری‌های اولیه و نهایی را در نظر نگرفتیم.
رفتار پودر تزریق شده به خروجی پیوسته با استفاده از تجهیزات خودکار تجزیه و تحلیل شد. ضریب هاسنر Hr، چگالی اولیه ρ(0) و چگالی نهایی ρ(n) را پس از n کلیک به طور دقیق اندازه‌گیری کنید.
تعداد ضربات معمولاً روی n=500 ثابت است. GranuPack یک دستگاه اندازه‌گیری تراکم ضربات خودکار و پیشرفته است که بر اساس تحقیقات دینامیکی اخیر ساخته شده است.
می‌توان از شاخص‌های دیگری نیز استفاده کرد، اما در اینجا ارائه نشده‌اند. پودر از طریق یک فرآیند اولیه‌سازی خودکار دقیق در یک لوله فلزی قرار می‌گیرد. برون‌یابی پارامتر دینامیکی n1/2 و حداکثر چگالی ρ(∞) از منحنی تراکم حذف شده است.
یک استوانه توخالی سبک وزن روی بستر پودر قرار می‌گیرد تا سطح مشترک پودر/هوا را در حین فشرده‌سازی تراز نگه دارد. لوله حاوی نمونه پودر تا ارتفاع ثابت ΔZ بالا می‌رود و آزادانه در ارتفاعی که معمولاً در ΔZ = 1 میلی‌متر یا ΔZ = 3 میلی‌متر ثابت است، سقوط می‌کند که به طور خودکار پس از هر لمس اندازه‌گیری می‌شود. حجم V توده را از روی ارتفاع محاسبه کنید.
چگالی، نسبت جرم m به حجم لایه پودر V است. جرم پودر m مشخص است، چگالی ρ پس از هر ضربه اعمال می‌شود.
ضریب هاوسنر Hr با ضریب تراکم مرتبط است و با معادله Hr = ρ(500) / ρ(0) تجزیه و تحلیل می‌شود، که در آن ρ(0) چگالی اولیه حجمی و ρ(500) جریان محاسبه شده پس از 500 سیکل است. اندازه‌گیری چگالی. هنگام استفاده از روش GranuPack، نتایج با استفاده از مقدار کمی پودر (معمولاً 35 میلی‌لیتر) قابل تکرار هستند.
خواص پودر و خواص ماده‌ای که دستگاه از آن ساخته شده است، پارامترهای کلیدی هستند. در طول جریان، بارهای الکترواستاتیکی به دلیل اثر تریبوالکتریک، که تبادل بارها هنگام تماس دو جامد است، در داخل پودر ایجاد می‌شوند.
وقتی پودر درون دستگاه جریان می‌یابد، یک اثر تریبوالکتریک در محل تماس بین ذرات و در محل تماس بین ذرات و دستگاه رخ می‌دهد.
پس از تماس با ماده انتخاب شده، GranuCharge به طور خودکار میزان بار الکترواستاتیک تولید شده در داخل پودر را در حین جریان اندازه‌گیری می‌کند. نمونه پودر درون لوله V شکل مرتعش جریان می‌یابد و به درون یک فنجان فارادی متصل به یک الکترومتر می‌افتد که بار حاصل از حرکت پودر درون لوله V شکل را اندازه‌گیری می‌کند. برای نتایج تکرارپذیر، از یک دستگاه چرخشی یا مرتعش برای تغذیه مکرر لوله‌های V شکل استفاده کنید.
اثر تریبوالکتریک باعث می‌شود که یک جسم الکترون‌ها را روی سطح خود به دست آورد و بنابراین بار منفی پیدا کند، در حالی که جسم دیگر الکترون‌ها را از دست می‌دهد و بنابراین بار مثبت پیدا می‌کند. برخی از مواد الکترون‌ها را راحت‌تر از سایرین به دست می‌آورند و به طور مشابه، مواد دیگر الکترون‌ها را راحت‌تر از دست می‌دهند.
اینکه کدام ماده منفی و کدام مثبت می‌شود، به تمایل نسبی مواد درگیر برای گرفتن یا از دست دادن الکترون بستگی دارد. برای نمایش این روندها، سری تریبوالکتریک نشان داده شده در جدول 1 توسعه داده شد. موادی با روند بار مثبت و سایر مواد با روند بار منفی فهرست شده‌اند و روش‌های موادی که هیچ روند رفتاری نشان نمی‌دهند، در وسط جدول فهرست شده‌اند.
از سوی دیگر، جدول فقط اطلاعاتی در مورد روند رفتار شارژ مواد ارائه می‌دهد، بنابراین GranuCharge برای ارائه مقادیر عددی دقیق برای رفتار شارژ پودرها ایجاد شده است.
چندین آزمایش برای تجزیه حرارتی انجام شد. نمونه‌ها به مدت یک تا دو ساعت در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد قرار داده شدند. سپس پودر بلافاصله با GranuDrum (نام گرم) آنالیز شد. سپس پودر در ظرفی قرار داده شد تا به دمای محیط برسد و سپس با استفاده از GranuDrum، GranuPack و GranuCharge (به معنی "سرد") آنالیز شد.
نمونه‌های خام با استفاده از GranuPack، GranuDrum و GranuCharge در رطوبت/دمای یکسان اتاق (یعنی رطوبت نسبی 35.0 ± 1.5% و دمای 21.0 ± 1.0 درجه سانتیگراد) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.
شاخص پیوستگی، جریان‌پذیری پودرها را محاسبه می‌کند و با تغییرات در موقعیت فصل مشترک (پودر/هوا) که تنها سه نیروی تماسی (نیروهای واندروالس، مویینگی و الکترواستاتیک) است، همبستگی دارد. قبل از آزمایش، رطوبت نسبی هوا (RH، %) و دما (°C) ثبت شد. سپس پودر به داخل استوانه ریخته شد و آزمایش آغاز شد.
ما نتیجه گرفتیم که این محصولات با در نظر گرفتن پارامترهای تیکسوتروپیک، مستعد تجمع نیستند. جالب توجه است که تنش حرارتی، رفتار رئولوژیکی پودرهای نمونه‌های A و B را از ضخیم‌شوندگی برشی به نازک‌شوندگی برشی تغییر داد. از سوی دیگر، نمونه‌های C و SS 316L تحت تأثیر دما قرار نگرفتند و فقط ضخیم‌شوندگی برشی نشان دادند. هر پودر پس از گرم کردن و سرد کردن، پخش‌پذیری بهتری (یعنی شاخص چسبندگی پایین‌تر) داشت.
اثر دما همچنین به مساحت خاص ذرات بستگی دارد. هرچه رسانایی حرارتی ماده بیشتر باشد، تأثیر آن بر دما بیشتر است (یعنی ???225°?=250?.?-1.?-1) و ???316?. 225°??=19?.?-1.?-1) هرچه ذره کوچکتر باشد، تأثیر دما بیشتر است. پودرهای آلیاژ آلومینیوم به دلیل افزایش پخش‌پذیری برای کاربردهای دما بالا عالی هستند و حتی نمونه‌های سرد شده نیز جریان‌پذیری بهتری نسبت به پودرهای اصلی دارند.
برای هر آزمایش GranuPack، جرم پودر قبل از هر آزمایش ثبت شد و نمونه ۵۰۰ بار با فرکانس ضربه ۱ هرتز با سقوط آزاد ۱ میلی‌متر در سلول اندازه‌گیری (انرژی ضربه ∝) مورد اصابت قرار گرفت. نمونه طبق دستورالعمل‌های نرم‌افزار مستقل از کاربر، در سلول اندازه‌گیری توزیع می‌شود. سپس اندازه‌گیری‌ها دو بار تکرار شدند تا تکرارپذیری ارزیابی شود و میانگین و انحراف معیار بررسی شود.
پس از تکمیل آنالیز GranuPack، چگالی حجمی اولیه (ρ(0))، چگالی حجمی نهایی (در چندین ضربه، n = 500، یعنی ρ(500))، نسبت هاسنر/شاخص کار (Hr/Cr) و دو پارامتر ثبت (n1/2 و τ) مربوط به سینتیک تراکم. چگالی بهینه ρ(∞) نیز نشان داده شده است (به پیوست 1 مراجعه کنید). جدول زیر داده‌های تجربی را بازسازی می‌کند.
شکل‌های ۶ و ۷ منحنی تراکم کلی (چگالی حجمی در مقابل تعداد ضربات) و نسبت پارامتر n1/2/هاسنر را نشان می‌دهند. میله‌های خطا که با استفاده از میانگین محاسبه شده‌اند، در هر منحنی نشان داده شده‌اند و انحراف معیارها با آزمایش تکرارپذیری محاسبه شده‌اند.
محصول فولاد ضد زنگ 316L سنگین‌ترین محصول بود (ρ(0) = 4.554 گرم بر میلی‌لیتر). از نظر چگالی ضربه، فولاد ضد زنگ 316L سنگین‌ترین پودر باقی مانده است (ρ(n) = 5.044 گرم بر میلی‌لیتر) و پس از آن نمونه A (ρ(n) = 1.668 گرم بر میلی‌لیتر) و پس از آن نمونه B (ρ(n) = 1.668 گرم بر میلی‌لیتر) قرار دارند (n) = 1.645 گرم بر میلی‌لیتر). نمونه C کمترین مقدار را داشت (ρ(n) = 1.581 گرم بر میلی‌لیتر). با توجه به چگالی حجمی پودر اولیه، می‌بینیم که نمونه A سبک‌ترین است و با در نظر گرفتن خطاها (1.380 گرم بر میلی‌لیتر)، نمونه‌های B و C تقریباً مقدار یکسانی دارند.
با گرم شدن پودر، نسبت هاوسنر آن کاهش می‌یابد و این اتفاق فقط در نمونه‌های B، C و SS 316L رخ می‌دهد. برای نمونه A، به دلیل اندازه میله‌های خطا، انجام این کار امکان‌پذیر نبود. برای n1/2، روند پارامتری زیرین پیچیده‌تر است. برای نمونه A و SS 316L، مقدار n1/2 پس از 2 ساعت در دمای 200 درجه سانتیگراد کاهش یافت، در حالی که برای پودرهای B و C پس از بارگذاری حرارتی افزایش یافت.
برای هر آزمایش GranuCharge از یک تغذیه‌کننده ارتعاشی استفاده شد (شکل 8 را ببینید). از لوله‌های فولادی ضد زنگ 316L استفاده شد. اندازه‌گیری‌ها 3 بار تکرار شدند تا تکرارپذیری ارزیابی شود. وزن محصول مورد استفاده برای هر اندازه‌گیری تقریباً 40 میلی‌لیتر بود و پس از اندازه‌گیری هیچ پودری بازیابی نشد.
قبل از آزمایش، وزن پودر (mp، g)، رطوبت نسبی هوا (RH، %) و دما (°C) ثبت شدند. در شروع آزمایش، چگالی بار پودر اولیه (q0 بر حسب µC/kg) با قرار دادن پودر در یک فنجان فارادی اندازه‌گیری شد. در نهایت، جرم پودر ثابت شد و چگالی بار نهایی (qf، µC/kg) و Δq (Δq = qf – q0) در پایان آزمایش محاسبه شدند.
داده‌های خام GranuCharge در جدول 2 و شکل 9 نشان داده شده‌اند (σ انحراف معیار محاسبه‌شده از نتایج آزمایش تکرارپذیری است) و نتایج به صورت هیستوگرام نشان داده شده‌اند (فقط q0 و Δq نشان داده شده‌اند). فولاد SS 316L کمترین بار اولیه را دارد؛ این ممکن است به این دلیل باشد که این محصول بالاترین PSD را دارد. وقتی صحبت از بارگذاری اولیه پودر آلیاژ آلومینیوم اولیه می‌شود، به دلیل اندازه خطاها، نمی‌توان هیچ نتیجه‌گیری کرد.
پس از تماس با لوله فولاد ضد زنگ 316L، نمونه A کمترین میزان بار را دریافت کرد، در حالی که پودرهای B و C روند مشابهی را نشان دادند، اگر پودر SS 316L به SS 316L مالیده شود، چگالی بار نزدیک به 0 مشاهده می‌شود (به سری تریبوالکتریک مراجعه کنید). محصول B هنوز هم از A باردارتر است. برای نمونه C، این روند ادامه می‌یابد (بار اولیه مثبت و بار نهایی پس از نشت)، اما تعداد بارها پس از تخریب حرارتی افزایش می‌یابد.
پس از ۲ ساعت تنش حرارتی در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد، رفتار پودر بسیار جالب می شود. در نمونه های A و B، بار اولیه کاهش یافته و بار نهایی از منفی به مثبت تغییر مکان داده است. پودر SS 316L بیشترین بار اولیه را داشت و تغییر چگالی بار آن مثبت شد اما همچنان کم باقی ماند (یعنی ۰.۰۳۳ nC/g).
ما اثر تخریب حرارتی را بر رفتار ترکیبی پودرهای آلیاژ آلومینیوم (AlSi10Mg) و فولاد ضد زنگ 316L بررسی کردیم، در حالی که پودرهای اولیه پس از 2 ساعت در دمای 200 درجه سانتیگراد در هوا مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.
استفاده از پودرها در دماهای بالا می‌تواند جریان‌پذیری محصول را بهبود بخشد، اثری که به نظر می‌رسد برای پودرهایی با سطح ویژه بالا و موادی با رسانایی حرارتی بالا اهمیت بیشتری دارد. از GranuDrum برای ارزیابی جریان، از GranuPack برای تحلیل فشردگی دینامیکی و از GranuCharge برای تحلیل تریبوالکتریسیته پودر در تماس با لوله فولاد ضد زنگ 316L استفاده شد.
این نتایج با استفاده از GranuPack تعیین شدند که نشان دهنده بهبود ضریب هاوسنر برای هر پودر (به استثنای نمونه A، به دلیل اندازه خطاها) پس از فرآیند تنش حرارتی بود. هیچ روند مشخصی برای پارامتر بسته‌بندی (n1/2) یافت نشد زیرا برخی از محصولات افزایش سرعت بسته‌بندی را نشان دادند در حالی که برخی دیگر اثر متضادی داشتند (به عنوان مثال نمونه‌های B و C).