Sütiket használunk a felhasználói élmény javítása érdekében. A weboldal böngészésének folytatásával elfogadja a sütik használatát. További információk.
Az additív gyártás (AM) 3D-s tárgyak létrehozását jelenti, egyszerre egy ultravékony rétegben, ami drágább, mint a hagyományos feldolgozás. Az összeszerelési folyamat során azonban a pornak csak kis részét hegesztik az alkatrészhez. A többi nem olvad össze, így újra felhasználható. Ezzel szemben, ha a tárgyat a klasszikus módon hozzák létre, akkor általában marásra és megmunkálásra van szükség az anyag eltávolításához.
A por tulajdonságai határozzák meg a gép paramétereit, és elsősorban ezeket kell figyelembe venni. Az additív gyártás költsége nem lenne gazdaságos, mivel a meg nem olvadt por szennyezett és nem újrahasznosítható. A por lebomlása két jelenséget eredményez: a termék kémiai módosulását és a mechanikai tulajdonságok, például a morfológia és a részecskeméret-eloszlás változását.
Az első esetben a fő feladat tiszta ötvözeteket tartalmazó szilárd szerkezetek létrehozása, ezért el kell kerülnünk a por szennyeződését, például oxidokkal vagy nitridekkel. Az utóbbi jelenségnél ezek a paraméterek a folyékonysággal és a kenhetőséggel kapcsolatosak. Ezért a por tulajdonságainak bármilyen változása a termék egyenetlen eloszlásához vezethet.
A legújabb publikációk adatai azt mutatják, hogy a klasszikus áramlásmérők nem tudnak megfelelő információt szolgáltatni a por eloszlásáról az additív médiumokban a porágy alapján. Az alapanyag (vagy por) jellemzését illetően számos releváns mérési módszer létezik a piacon, amelyek kielégíthetik ezt a követelményt. A feszültségállapotnak és a por áramlási mezőjének meg kell egyeznie a mérési beállításban és a folyamatban. A nyomóterhelések jelenléte nem kompatibilis a nyíróvizsgálókban és a klasszikus reométerekben alkalmazott IM-eszközökben használt szabad felületi áramlással.
A GranuTools kifejlesztett egy munkafolyamatot az additív gyártású porok jellemzésére. Fő célunk, hogy minden geometriát pontos folyamatszimulációs eszközzel lássunk el, és ezt a munkafolyamatot használjuk a porminőség alakulásának megértésére és nyomon követésére a különböző nyomtatási folyamatokban. Számos standard alumíniumötvözetet (AlSi10Mg) választottunk ki különböző időtartamokra és különböző hőterhelésekre (100 és 200 °C között).
A termikus degradáció a por elektromos töltésfelhalmozódási képességének elemzésével szabályozható. A porokat folyóképesség (GranuDrum műszer), tömörödési kinetika (GranuPack műszer) és elektrosztatikus viselkedés (GranuCharge műszer) szempontjából elemezték. A kohéziós és tömörödési kinetikai mérések alkalmasak a por minőségének nyomon követésére.
A könnyen felhordható porok alacsony kohéziós indexeket mutatnak, míg a gyors töltési dinamikájú porok alacsonyabb porozitású mechanikus alkatrészeket eredményeznek a nehezebben tölthető termékekhez képest.
Több hónapos laboratóriumi tárolás után három különböző szemcseméret-eloszlású alumíniumötvözet port (AlSi10Mg) és egy 316L rozsdamentes acél mintát választottunk ki, amelyeket a továbbiakban A, B és C mintáknak nevezünk. A minták tulajdonságai eltérhetnek más gyártókétól. A minta szemcseméret-eloszlását lézerdiffrakciós analízissel/ISO 13320 szabvány szerint mértük.
Mivel ezek szabályozzák a gép paramétereit, először a por tulajdonságait kell figyelembe venni, és ha a meg nem olvadt porokat szennyezettnek és újrahasznosíthatatlannak tekintjük, akkor az additív gyártás nem olyan gazdaságos, mint azt remélni lehetne. Ezért három paramétert vizsgálunk: a por áramlását, a csomagolási dinamikát és az elektrosztatikát.
A kenhetőség a porréteg egyenletességéhez és „simaságához” kapcsolódik az újrafestési művelet után. Ez nagyon fontos, mivel a sima felületek könnyebben nyomtathatók, és a GranuDrum eszközzel tapadási index méréssel vizsgálhatók.
Mivel a pórusok az anyag gyenge pontjai, repedésekhez vezethetnek. A kitöltődési dinamika a második kulcsfontosságú paraméter, mivel a gyorsan töltődő porok alacsony porozitást biztosítanak. Ezt a viselkedést a GranuPack n1/2 értékkel méri.
A porban lévő elektromos töltések kohéziós erőket hoznak létre, amelyek agglomerátumok képződéséhez vezetnek. A GranuCharge a porok elektrosztatikus töltés generálásának képességét méri, amikor áramlás közben érintkeznek a kiválasztott anyagokkal.
A feldolgozás során a GranuCharge képes előre jelezni az áramlás romlását, például additív technikában (AM) egy réteg kialakulásakor. Így a kapott mérések nagyon érzékenyek a szemcsefelület állapotára (oxidáció, szennyeződés és érdesség). A kinyert por öregedése ezután pontosan számszerűsíthető (±0,5 nC).
A GranuDrum egy programozott poráramlás-mérési módszer, amely a forgódob elvén alapul. A porminta felét egy vízszintes, átlátszó oldalfalú henger tartalmazza. A dob 2-60 fordulat/perc szögsebességgel forog a tengelye körül, és a CCD-kamera képeket készít (30-100 kép 1 másodperces időközönként). A levegő/por határfelületet minden képen egy élérzékelő algoritmus azonosítja.
Számítsa ki a határfelület átlagos pozícióját és az átlagos pozíció körüli oszcillációkat. Minden forgási sebességhez a határfelület átlagos pozíciójából kiszámítja az áramlási szöget (vagy „dinamikus nyugalmi szöget”) αf, és a határfelületi fluktuációkból elemzi a szemcsék közötti kötéshez kapcsolódó dinamikus kohéziós tényezőt σf.
Az áramlási szöget számos paraméter befolyásolja: a súrlódás, az alak és a részecskék közötti kohézió (van der Waals-erő, elektrosztatikus és kapilláris erők). A kohéziós porok szakaszos áramlást eredményeznek, míg a nem viszkózus porok egyenletes áramlást. Az αf áramlási szög alacsony értékei jó áramlásnak felelnek meg. A nullához közeli dinamikus tapadási index nem kohéziós pornak felel meg, így a por tapadásának növekedésével a tapadási index is ennek megfelelően növekszik.
A GranuDrum lehetővé teszi a lavina első szögének és a por levegőztetésének mérését az áramlás során, valamint a σf tapadási index és az αf áramlási szög mérését a forgási sebességtől függően.
A GranuPack testsűrűség-, ütögetési sűrűség- és Hausner-arány-mérései (más néven „ütögetési vizsgálatok”) ideálisak a porok jellemzésére a mérés egyszerűsége és sebessége miatt. A por sűrűsége és a sűrűség növelésének képessége fontos paraméterek a tárolás, szállítás, agglomeráció stb. során. Az ajánlott eljárásokat a Gyógyszerkönyv ismerteti.
Ennek az egyszerű tesztnek három fő hátránya van. A mérés a kezelőtől függ, és a töltés módja befolyásolja a por kezdeti térfogatát. A teljes térfogat mérése komoly hibákhoz vezethet az eredményekben. A kísérlet egyszerűsége miatt nem vettük figyelembe a tömörödés dinamikáját a kezdeti és a végső mérések között.
A folyamatos kimenetbe betáplált por viselkedését automatizált berendezéssel elemezték. n kattanás után pontosan megmérték a Hausner-együtthatót Hr, a kezdeti sűrűséget ρ(0) és a végső sűrűséget ρ(n).
A kopogtatások számát általában n=500-ra rögzítik. A GranuPack egy automatizált és fejlett kopogtatási sűrűségmérő, amely a legújabb dinamikus kutatásokon alapul.
Más indexek is használhatók, de ezeket itt nem közöljük. A port egy fémcsőbe helyezik egy szigorú automatizált inicializálási folyamaton keresztül. Az n1/2 dinamikus paraméter és a ρ(∞) maximális sűrűség extrapolációját eltávolították a tömörítési görbéből.
Egy könnyű, üreges henger helyezkedik el a porágy tetején, hogy a por/levegő határfelületet a tömörítés során vízszintesen tartsa. A pormintát tartalmazó cső egy rögzített ΔZ magasságig emelkedik, és szabadon esik egy általában ΔZ = 1 mm vagy ΔZ = 3 mm magasságban, amelyet minden érintés után automatikusan mér a rendszer. A magasságból számítsa ki a halom térfogatát (V).
A sűrűség a tömeg (m) és a porréteg (V) térfogatának aránya. A por tömege (m) ismert, a sűrűséget (ρ) minden ütés után alkalmazzuk.
A Hausner-együttható, Hr, összefügg a tömörödési tényezővel, és a Hr = ρ(500) / ρ(0) egyenlettel elemezhető, ahol ρ(0) a kezdeti térfogatsűrűség, ρ(500) pedig az 500 ciklus után számított áramlási sebesség. Sűrűségmérő csap. A GranuPack módszer használatakor az eredmények kis mennyiségű por (általában 35 ml) felhasználásával reprodukálhatók.
A por tulajdonságai és az eszköz anyagának tulajdonságai kulcsfontosságú paraméterek. Az áramlás során elektrosztatikus töltések keletkeznek a por belsejében a triboelektromos hatás miatt, ami a töltések cseréje, amikor két szilárd anyag érintkezik.
Amikor a por áramlik a készülék belsejében, triboelektromos hatás lép fel a részecskék egymás közötti érintkezésekor, valamint a részecskék és a készülék érintkezésekor.
A kiválasztott anyaggal érintkezve a GranuCharge automatikusan megméri az áramlás során a porban keletkező elektrosztatikus töltés mennyiségét. A porminta a rezgő V-csőben áramlik, és egy Faraday-csészébe esik, amely egy elektrométerhez van csatlakoztatva, amely méri a por V-csőben történő mozgása során keletkező töltést. A reprodukálható eredmények érdekében használjon forgó vagy rezgő eszközt a V-csövek gyakori betáplálásához.
A triboelektromos hatás miatt az egyik tárgy elektronokat nyer a felületén, és így negatív töltésűvé válik, míg egy másik tárgy elektronokat veszít, és így pozitív töltésűvé válik. Egyes anyagok könnyebben vesznek fel elektronokat, mint mások, és hasonlóképpen más anyagok könnyebben veszítik el az elektronokat.
Az, hogy melyik anyag válik negatívvá és melyik pozitívvá, az anyagok elektronfelvételre vagy -leadásra való relatív hajlamától függ. Ezen trendek ábrázolására fejlesztették ki az 1. táblázatban látható triboelektromos sorozatot. Felsoroltuk a pozitív és a negatív töltésű trenddel rendelkező anyagokat, a táblázat közepén pedig azokat az anyagvizsgálati módszereket soroltuk fel, amelyek nem mutatnak viselkedési trendet.
Másrészt a táblázat csak az anyagok töltési viselkedésének trendjeiről nyújt információt, ezért a GranuCharge-ot azért hozták létre, hogy pontos numerikus értékeket szolgáltasson a porok töltési viselkedésére vonatkozóan.
Számos kísérletet végeztek a termikus bomlás elemzésére. A mintákat egy-két órára 200 °C-ra helyezték. A port ezután azonnal GranuDrum (forró elnevezésű) készülékkel elemezték. A port ezután egy tartályba helyezték, amíg elérte a környezeti hőmérsékletet, majd GranuDrum, GranaPack és GranuCharge (azaz „hideg”) készülékekkel elemezték.
A nyers mintákat GranuPack, GranuDrum és GranuCharge segítségével elemezték azonos szobahőmérsékleten/páratartalom mellett (azaz 35,0 ± 1,5% relatív páratartalom és 21,0 ± 1,0 °C hőmérséklet).
A kohéziós index a porok folyóképességét számítja ki, és korrelál a határfelület (por/levegő) helyzetének változásával, ami mindössze három érintkezési erő (van der Waals, kapilláris és elektrosztatikus erők). A kísérlet előtt feljegyezték a levegő relatív páratartalmát (RH, %) és hőmérsékletét (°C). Ezután a port egy hordóba öntötték, és megkezdődött a kísérlet.
Arra a következtetésre jutottunk, hogy ezek a termékek a tixotróp paraméterek figyelembevételével nem hajlamosak agglomerációra. Érdekes módon a termikus stressz az A és B minták porainak reológiai viselkedését a nyírási sűrűsödéstől a nyírási elvékonyodásig megváltoztatta. Másrészt a C és az SS 316L mintákat nem befolyásolta a hőmérséklet, és csak nyírási sűrűsödést mutattak. Mindkét por jobb kenhetőséget (azaz alacsonyabb kohéziós indexet) mutatott melegítés és hűtés után.
A hőmérséklet hatása a részecskék fajlagos területétől is függ. Minél nagyobb az anyag hővezető képessége, annál nagyobb a hőmérsékletre gyakorolt ​​hatás (azaz ???225°? = 250°.?-1.?-1) és ???316°. 225°? = 19°.?-1.?-1). Minél kisebb a részecske, annál nagyobb a hőmérséklet hatása. Az alumíniumötvözet porok kiválóan alkalmasak magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz a megnövekedett kenhetőségük miatt, és még a lehűtött minták is jobb folyóképességet érnek el, mint az eredeti porok.
Minden GranuPack kísérlet előtt feljegyezték a por tömegét, és a mintát 500-szor ütötték 1 Hz ütési frekvenciával, 1 mm szabad eséssel a mérőcellában (ütési energia ∝). A mintát a felhasználótól független szoftverutasításoknak megfelelően adagolták a mérőcellába. Ezután a méréseket kétszer megismételték a reprodukálhatóság értékelése, valamint az átlag és a szórás vizsgálata céljából.
A GranuPack elemzés befejezése után a kezdeti térfogatsűrűség (ρ(0)), a végső térfogatsűrűség (többszörös csapolásnál, n = 500, azaz ρ(500)), a Hausner-arány/Carr-index (Hr/Cr) és két, a tömörítési kinetikához kapcsolódó regisztrációs paraméter (n1/2 és τ) is megjelenik. Az optimális sűrűség (ρ(∞) is látható (lásd az 1. függeléket). Az alábbi táblázat a kísérleti adatokat átstrukturálja.
A 6. és 7. ábra a teljes tömörödési görbét (tömegsűrűség az ütések számának függvényében) és az n1/2/Hausner paraméter arányt mutatja. Az átlag felhasználásával számított hibasávok minden görbén láthatók, a szórást pedig ismételhetőségi vizsgálattal számítottuk ki.
A 316L rozsdamentes acél termék volt a legnehezebb termék (ρ(0) = 4,554 g/ml). A csapolási sűrűség tekintetében az SS 316L továbbra is a legnehezebb por (ρ(n) = 5,044 g/ml), ezt követi az A minta (ρ(n) = 1,668 g/ml), majd a B minta (ρ(n) = 1,668 g/ml). (n) = 1,645 g/ml). A C minta volt a legnehezebb (ρ(n) = 1,581 g/ml). A kezdeti por térfogatsűrűsége alapján azt látjuk, hogy az A minta a legkönnyebb, és a hibákat (1,380 g/ml) figyelembe véve a B és C minták értéke megközelítőleg megegyezik.
A por melegítésével a Hausner-tényező csökken, és ez csak a B, C és SS 316L mintáknál fordul elő. Az A minta esetében a hibasávok mérete miatt nem volt lehetséges elvégezni a vizsgálatot. Az n1/2 esetében a parametrikus trendaláhúzás összetettebb. Az A minta és az SS 316L porok esetében az n1/2 értéke 2 óra elteltével csökkent 200 °C-on, míg a B és C porok esetében a hőterhelés után nőtt.
Minden GranuCharge kísérlethez vibrációs adagolót használtunk (lásd a 8. ábrát). 316L rozsdamentes acél csövet használtunk. A méréseket háromszor ismételtük meg az ismételhetőség értékelése érdekében. Az egyes mérésekhez felhasznált termék tömege körülbelül 40 ml volt, és a mérés után nem nyertünk vissza port.
A kísérlet előtt feljegyezték a por tömegét (op., g), a relatív páratartalmat (RH, %) és a hőmérsékletet (°C). A vizsgálat kezdetén megmérték az elsődleges por töltéssűrűségét (q0 µC/kg-ban) a por Faraday-csészébe helyezésével. Végül rögzítették a por tömegét, és kiszámították a kísérlet végén a végső töltéssűrűséget (qf, µC/kg) és Δq-t (Δq = qf – q0).
A nyers GranuCharge adatokat a 2. táblázat és a 9. ábra mutatja (a σ a reprodukálhatósági teszt eredményeiből számított szórás), az eredményeket pedig hisztogramként ábrázoljuk (csak a q0 és a Δq látható). Az SS 316L rendelkezik a legalacsonyabb kezdeti töltéssel; ez annak a ténynek tudható be, hogy ennek a terméknek a legnagyobb a PSD-je. Az elsődleges alumíniumötvözet por kezdeti töltetével kapcsolatban a hibák nagysága miatt nem lehet következtetéseket levonni.
Egy 316L rozsdamentes acélcsővel való érintkezés után az A minta kapta a legkevesebb töltést, míg a B és C porok hasonló tendenciát mutattak. Ha egy SS 316L port SS 316L-hez dörzsöltek, a töltéssűrűség közel 0 volt (lásd triboelektromos sorozat). A B termék továbbra is töltőbb, mint az A. A C minta esetében a tendencia folytatódik (pozitív kezdeti töltés és végső töltés a szivárgás után), de a töltések száma a termikus degradáció után növekszik.
2 óra 200 °C-on történő hőterhelés után a por viselkedése nagyon érdekessé válik. Az A és B mintákban a kezdeti töltés csökkent, a végső töltés pedig negatívról pozitívra változott. Az SS 316L por rendelkezett a legnagyobb kezdeti töltéssel, töltéssűrűség-változása pozitívvá vált, de alacsony maradt (azaz 0,033 nC/g).
Vizsgáltuk a termikus degradáció hatását az alumíniumötvözet (AlSi10Mg) és a 316L rozsdamentes acél porok kombinált viselkedésére, miközben az eredeti porokat 2 óra elteltével, 200 °C-on, levegőn elemeztük.
A porok magas hőmérsékleten történő használata javíthatja a termék folyóképességét, ami a nagy fajlagos felületű porok és a nagy hővezető képességű anyagok esetében tűnik fontosabbnak. A GranuDrumot az áramlás értékelésére, a GranuPackot a dinamikus csomagolási elemzésre, a GranuCharge-ot pedig a 316L rozsdamentes acélcsővel érintkező por triboelektromosságának elemzésére használták.
Ezeket az eredményeket GranuPack segítségével határoztuk meg, amely a termikus igénybevételi eljárás után minden por esetében (az A minta kivételével, a hibák nagysága miatt) a Hausner-együttható javulását mutatta. A csomagolási paraméter (n1/2) esetében nem találtunk egyértelmű tendenciát, mivel egyes termékek a csomagolási sebesség növekedését mutatták, míg mások ellentétes hatást mutattak (pl. B és C minta).