Kami menggunakan cookie untuk meningkatkan pengalaman Anda. Dengan terus menjelajahi situs ini, Anda menyetujui penggunaan cookie kami. Informasi Tambahan.
Manufaktur aditif (AM) melibatkan pembuatan objek 3D, satu lapisan ultra-tipis pada satu waktu, sehingga lebih mahal daripada pemrosesan tradisional. Namun, hanya sebagian kecil bubuk yang dilas ke komponen selama proses perakitan. Sisanya tidak menyatu, sehingga dapat digunakan kembali. Sebaliknya, jika objek dibuat dengan cara klasik, biasanya diperlukan penggilingan dan pemesinan untuk menghilangkan material.
Sifat-sifat bubuk menentukan parameter mesin dan harus dipertimbangkan terlebih dahulu. Biaya AM (Additive Manufacturing) tidak akan ekonomis mengingat bubuk yang tidak meleleh terkontaminasi dan tidak dapat didaur ulang. Degradasi bubuk menghasilkan dua fenomena: modifikasi kimia produk dan perubahan sifat mekanik seperti morfologi dan distribusi ukuran partikel.
Pada kasus pertama, tugas utamanya adalah menciptakan struktur padat yang mengandung paduan murni, sehingga kita perlu menghindari kontaminasi bubuk, misalnya, dengan oksida atau nitrida. Pada fenomena kedua, parameter ini terkait dengan fluiditas dan daya sebar. Oleh karena itu, setiap perubahan sifat bubuk dapat menyebabkan distribusi produk yang tidak seragam.
Data dari publikasi terbaru menunjukkan bahwa flowmeter klasik tidak dapat memberikan informasi yang memadai tentang distribusi bubuk dalam AM berdasarkan lapisan bubuk. Mengenai karakterisasi bahan baku (atau bubuk), ada beberapa metode pengukuran yang relevan di pasaran yang dapat memenuhi persyaratan ini. Kondisi tegangan dan medan aliran bubuk harus sama dalam pengaturan pengukuran dan dalam prosesnya. Kehadiran beban tekan tidak sesuai dengan aliran permukaan bebas yang digunakan dalam perangkat IM pada penguji geser dan rheometer klasik.
GranuTools telah mengembangkan alur kerja untuk mengkarakterisasi bubuk AM. Tujuan utama kami adalah untuk melengkapi setiap geometri dengan alat simulasi proses yang akurat, dan alur kerja ini digunakan untuk memahami dan melacak evolusi kualitas bubuk dalam berbagai proses pencetakan. Beberapa paduan aluminium standar (AlSi10Mg) dipilih untuk durasi yang berbeda pada beban termal yang berbeda (dari 100 hingga 200 °C).
Degradasi termal dapat dikendalikan dengan menganalisis kemampuan serbuk untuk mengakumulasi muatan listrik. Serbuk dianalisis untuk kemampuan mengalir (instrumen GranuDrum), kinetika pengemasan (instrumen GranuPack) dan perilaku elektrostatik (instrumen GranuCharge). Pengukuran kohesi dan kinetika pengemasan cocok untuk melacak kualitas serbuk.
Serbuk yang mudah diaplikasikan akan menunjukkan indeks kohesi yang rendah, sedangkan serbuk dengan dinamika pengisian yang cepat akan menghasilkan komponen mekanis dengan porositas yang lebih rendah dibandingkan dengan produk yang lebih sulit diisi.
Setelah beberapa bulan disimpan di laboratorium kami, tiga bubuk paduan aluminium dengan distribusi ukuran partikel yang berbeda (AlSi10Mg) dan satu sampel baja tahan karat 316L dipilih, yang di sini disebut sebagai sampel A, B, dan C. Sifat-sifat sampel mungkin berbeda dari produsen lain. Distribusi ukuran partikel sampel diukur dengan analisis difraksi laser/ISO 13320.
Karena mereka mengontrol parameter mesin, sifat-sifat bubuk harus dipertimbangkan terlebih dahulu, dan jika bubuk yang tidak meleleh dianggap terkontaminasi dan tidak dapat didaur ulang, maka manufaktur aditif tidak seekonomis yang diharapkan. Oleh karena itu, tiga parameter akan diteliti: aliran bubuk, dinamika pengemasan, dan elektrostatika.
Daya sebar berkaitan dengan keseragaman dan "kehalusan" lapisan bubuk setelah proses pelapisan ulang. Hal ini sangat penting karena permukaan yang halus lebih mudah dicetak dan dapat diperiksa dengan alat GranuDrum menggunakan pengukuran indeks adhesi.
Karena pori-pori merupakan titik lemah dalam suatu material, hal itu dapat menyebabkan retakan. Dinamika pengisian adalah parameter kunci kedua karena bubuk pengisi cepat menghasilkan porositas rendah. Perilaku ini diukur dengan GranuPack dengan nilai n1/2.
Keberadaan muatan listrik dalam bubuk menciptakan gaya kohesif yang menyebabkan terbentuknya aglomerat. GranuCharge mengukur kemampuan bubuk untuk menghasilkan muatan elektrostatik ketika bersentuhan dengan material tertentu selama proses aliran.
Selama proses pengolahan, GranuCharge dapat memprediksi penurunan aliran, misalnya, saat membentuk lapisan dalam AM. Dengan demikian, pengukuran yang diperoleh sangat sensitif terhadap kondisi permukaan butiran (oksidasi, kontaminasi, dan kekasaran). Penuaan bubuk yang diperoleh kemudian dapat dikuantifikasi secara akurat (±0,5 nC).
GranuDrum adalah metode pengukuran aliran bubuk terprogram berdasarkan prinsip drum berputar. Setengah dari sampel bubuk ditempatkan dalam silinder horizontal dengan dinding samping transparan. Drum berputar di sekitar porosnya dengan kecepatan sudut 2 hingga 60 rpm, dan kamera CCD mengambil gambar (dari 30 hingga 100 gambar dengan interval 1 detik). Antarmuka udara/bubuk diidentifikasi pada setiap gambar menggunakan algoritma deteksi tepi.
Hitung posisi rata-rata antarmuka dan osilasi di sekitar posisi rata-rata ini. Untuk setiap kecepatan rotasi, sudut aliran (atau "sudut istirahat dinamis") αf dihitung dari posisi antarmuka rata-rata, dan faktor kohesi dinamis σf yang terkait dengan ikatan antar butir dianalisis dari fluktuasi antarmuka.
Sudut aliran dipengaruhi oleh sejumlah parameter: gesekan, bentuk, dan kohesi antar partikel (gaya van der Waals, elektrostatik, dan kapiler). Serbuk kohesif menghasilkan aliran terputus-putus, sedangkan serbuk non-viskos menghasilkan aliran teratur. Nilai sudut aliran αf yang rendah menunjukkan aliran yang baik. Indeks adhesi dinamis yang mendekati nol menunjukkan serbuk non-kohesif, sehingga seiring peningkatan adhesi serbuk, indeks adhesi juga meningkat.
GranuDrum memungkinkan Anda mengukur sudut pertama longsoran dan aerasi bubuk selama aliran, serta mengukur indeks adhesi σf dan sudut aliran αf tergantung pada kecepatan rotasi.
Pengukuran densitas curah, densitas ketuk, dan rasio Hausner (juga dikenal sebagai "uji ketuk") pada GranuPack sangat ideal untuk karakterisasi bubuk karena kemudahan dan kecepatan pengukurannya. Densitas bubuk dan kemampuan untuk meningkatkan densitasnya merupakan parameter penting selama penyimpanan, transportasi, aglomerasi, dll. Prosedur yang direkomendasikan diuraikan dalam Farmakope.
Uji sederhana ini memiliki tiga kelemahan utama. Pengukuran bergantung pada operator, dan metode pengisian memengaruhi volume awal bubuk. Mengukur volume total dapat menyebabkan kesalahan serius pada hasil. Karena kesederhanaan percobaan, kami tidak memperhitungkan dinamika pemadatan antara pengukuran awal dan akhir.
Perilaku bubuk yang dimasukkan ke saluran keluar kontinu dianalisis menggunakan peralatan otomatis. Koefisien Hausner Hr, densitas awal ρ(0) dan densitas akhir ρ(n) diukur secara akurat setelah n klik.
Jumlah keran biasanya ditetapkan pada n=500. GranuPack adalah alat ukur kepadatan keran otomatis dan canggih yang didasarkan pada penelitian dinamis terkini.
Indeks lain dapat digunakan, tetapi tidak disediakan di sini. Serbuk ditempatkan ke dalam tabung logam melalui proses inisialisasi otomatis yang ketat. Ekstrapolasi parameter dinamis n1/2 dan densitas maksimum ρ(∞) telah dihilangkan dari kurva pemadatan.
Sebuah silinder berongga ringan diletakkan di atas lapisan serbuk untuk menjaga agar antarmuka serbuk/udara tetap rata selama pemadatan. Tabung yang berisi sampel serbuk naik ke ketinggian tetap ΔZ dan jatuh bebas pada ketinggian yang biasanya ditetapkan pada ΔZ = 1 mm atau ΔZ = 3 mm, yang secara otomatis diukur setelah setiap sentuhan. Hitung volume V tumpukan dari ketinggian tersebut.
Kepadatan adalah perbandingan antara massa m dan volume lapisan serbuk V. Massa serbuk m diketahui, sedangkan kepadatan ρ diterapkan setelah setiap tumbukan.
Koefisien Hausner Hr berkaitan dengan faktor pemadatan dan dianalisis dengan persamaan Hr = ρ(500) / ρ(0), di mana ρ(0) adalah kerapatan curah awal dan ρ(500) adalah aliran yang dihitung setelah 500 siklus. Kerapatan ketuk. Saat menggunakan metode GranuPack, hasilnya dapat direproduksi menggunakan sejumlah kecil bubuk (biasanya 35 ml).
Sifat-sifat serbuk dan sifat-sifat material dari mana perangkat tersebut dibuat merupakan parameter kunci. Selama aliran, muatan elektrostatik dihasilkan di dalam serbuk karena efek triboelektrik, yaitu pertukaran muatan ketika dua benda padat bersentuhan.
Ketika bubuk mengalir di dalam perangkat, efek triboelektrik terjadi pada kontak antara partikel dan pada kontak antara partikel dan perangkat.
Saat bersentuhan dengan material yang dipilih, GranuCharge secara otomatis mengukur jumlah muatan elektrostatik yang dihasilkan di dalam bubuk selama aliran. Sampel bubuk mengalir di dalam tabung V yang bergetar dan jatuh ke dalam cangkir Faraday yang terhubung ke elektrometer yang mengukur muatan yang diperoleh saat bubuk bergerak di dalam tabung V. Untuk hasil yang dapat direproduksi, gunakan perangkat yang berputar atau bergetar untuk memasukkan bubuk ke dalam tabung V secara berkala.
Efek triboelektrik menyebabkan suatu objek memperoleh elektron di permukaannya sehingga menjadi bermuatan negatif, sementara objek lain kehilangan elektron sehingga menjadi bermuatan positif. Beberapa material memperoleh elektron lebih mudah daripada yang lain, dan demikian pula, material lain kehilangan elektron lebih mudah.
Material mana yang menjadi negatif dan mana yang menjadi positif bergantung pada kecenderungan relatif material yang terlibat untuk memperoleh atau kehilangan elektron. Untuk merepresentasikan tren ini, deret triboelektrik yang ditunjukkan pada Tabel 1 dikembangkan. Material dengan tren muatan positif dan material lain dengan tren muatan negatif tercantum, dan metode material yang tidak menunjukkan tren perilaku apa pun tercantum di tengah tabel.
Di sisi lain, tabel tersebut hanya memberikan informasi tentang tren perilaku pengisian muatan material, sehingga GranuCharge diciptakan untuk memberikan nilai numerik yang akurat untuk perilaku pengisian muatan bubuk.
Beberapa percobaan dilakukan untuk menganalisis dekomposisi termal. Sampel ditempatkan pada suhu 200°C selama satu hingga dua jam. Bubuk tersebut kemudian segera dianalisis dengan GranuDrum (nama panas). Bubuk tersebut kemudian ditempatkan dalam wadah hingga mencapai suhu ruangan dan kemudian dianalisis menggunakan GranuDrum, GranuPack, dan GranuCharge (yaitu "dingin").
Sampel mentah dianalisis menggunakan GranuPack, GranuDrum, dan GranuCharge pada kelembaban/suhu ruangan yang sama (yaitu 35,0 ± 1,5% RH dan suhu 21,0 ± 1,0 °C).
Indeks kohesi menghitung kemampuan alir serbuk dan berkorelasi dengan perubahan posisi antarmuka (serbuk/udara), yang hanya terdiri dari tiga gaya kontak (gaya van der Waals, kapiler, dan elektrostatik). Sebelum percobaan, kelembaban relatif udara (RH, %) dan suhu (°C) dicatat. Kemudian serbuk dituangkan ke dalam drum, dan percobaan dimulai.
Kami menyimpulkan bahwa produk-produk ini tidak rentan terhadap aglomerasi jika mempertimbangkan parameter tiksotropik. Menariknya, tekanan termal mengubah perilaku reologi serbuk sampel A dan B dari pengentalan geser menjadi penipisan geser. Di sisi lain, sampel C dan SS 316L tidak terpengaruh oleh suhu dan hanya menunjukkan pengentalan geser. Setiap serbuk memiliki daya sebar yang lebih baik (yaitu indeks kohesi yang lebih rendah) setelah pemanasan dan pendinginan.
Pengaruh suhu juga bergantung pada luas permukaan spesifik partikel. Semakin tinggi konduktivitas termal material, semakin besar pengaruhnya terhadap suhu (misalnya Δ225° = 250 μm - 1 μm - 1 μm) dan Δ316° = 225° = 19 μm - 1 μm - 1 μm). Semakin kecil partikel, semakin besar pengaruh suhunya. Serbuk paduan aluminium sangat baik untuk aplikasi suhu tinggi karena daya sebarnya yang meningkat, dan bahkan spesimen yang didinginkan mencapai daya alir yang lebih baik daripada serbuk aslinya.
Untuk setiap percobaan GranuPack, massa bubuk dicatat sebelum setiap percobaan, dan sampel dipukul 500 kali dengan frekuensi benturan 1 Hz dengan jatuh bebas 1 mm di dalam sel pengukuran (energi benturan ∝). Sampel dimasukkan ke dalam sel pengukuran sesuai dengan instruksi perangkat lunak yang tidak bergantung pada pengguna. Kemudian pengukuran diulangi dua kali untuk menilai reproduktivitas dan menyelidiki nilai rata-rata dan deviasi standar.
Setelah analisis GranuPack selesai, kerapatan curah awal (ρ(0)), kerapatan curah akhir (pada beberapa ketukan, n = 500, yaitu ρ(500)), rasio Hausner/indeks Carr (Hr/Cr) dan dua parameter registrasi (n1/2 dan τ) terkait dengan kinetika pemadatan. Kerapatan optimal ρ(∞) juga ditampilkan (lihat Lampiran 1). Tabel di bawah ini menyusun ulang data eksperimental.
Gambar 6 dan 7 menunjukkan kurva pemadatan keseluruhan (kepadatan curah versus jumlah benturan) dan rasio parameter n1/2/Hausner. Batang kesalahan yang dihitung menggunakan nilai rata-rata ditunjukkan pada setiap kurva, dan deviasi standar dihitung dengan pengujian pengulangan.
Produk baja tahan karat 316L adalah produk terberat (ρ(0) = 4,554 g/mL). Dalam hal densitas tamping, SS 316L tetap menjadi bubuk terberat (ρ(n) = 5,044 g/mL), diikuti oleh Sampel A (ρ(n) = 1,668 g/mL), kemudian Sampel B (ρ(n) = 1,668 g/ml) (n) = 1,645 g/ml). Sampel C adalah yang terendah (ρ(n) = 1,581 g/mL). Menurut densitas curah bubuk awal, kita melihat bahwa sampel A adalah yang paling ringan, dan dengan mempertimbangkan kesalahan (1,380 g/ml), sampel B dan C memiliki nilai yang hampir sama.
Saat serbuk dipanaskan, rasio Hausner-nya menurun, dan ini hanya terjadi pada sampel B, C, dan SS 316L. Untuk sampel A, hal ini tidak dapat dilakukan karena besarnya rentang kesalahan. Untuk n1/2, tren parametrik yang mendasarinya lebih kompleks. Untuk sampel A dan SS 316L, nilai n1/2 menurun setelah 2 jam pada suhu 200°C, sedangkan untuk serbuk B dan C nilainya meningkat setelah pembebanan termal.
Pengumpan getar digunakan untuk setiap percobaan GranuCharge (lihat Gambar 8). Gunakan tabung baja tahan karat 316L. Pengukuran diulang 3 kali untuk menilai reprodusibilitas. Berat produk yang digunakan untuk setiap pengukuran sekitar 40 ml dan tidak ada bubuk yang tersisa setelah pengukuran.
Sebelum percobaan, berat serbuk (mp, g), kelembaban udara relatif (RH, %), dan suhu (°C) dicatat. Pada awal pengujian, kerapatan muatan serbuk primer (q0 dalam µC/kg) diukur dengan menempatkan serbuk dalam cawan Faraday. Akhirnya, massa serbuk ditetapkan dan kerapatan muatan akhir (qf, µC/kg) dan Δq (Δq = qf – q0) pada akhir percobaan dihitung.
Data mentah GranuCharge ditunjukkan pada Tabel 2 dan Gambar 9 (σ adalah deviasi standar yang dihitung dari hasil uji reproduksibilitas), dan hasilnya ditampilkan sebagai histogram (hanya q0 dan Δq yang ditampilkan). SS 316L memiliki muatan awal terendah; ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa produk ini memiliki PSD tertinggi. Mengenai pemuatan awal bubuk paduan aluminium primer, tidak ada kesimpulan yang dapat ditarik karena besarnya kesalahan.
Setelah kontak dengan pipa baja tahan karat 316L, sampel A menerima muatan paling sedikit, sedangkan bubuk B dan C menunjukkan tren serupa. Jika bubuk SS 316L digosokkan pada SS 316L, ditemukan kerapatan muatan mendekati 0 (lihat deret triboelektrik). Produk B masih lebih bermuatan daripada A. Untuk sampel C, tren berlanjut (muatan awal positif dan muatan akhir setelah kebocoran), tetapi jumlah muatan meningkat setelah degradasi termal.
Setelah 2 jam mengalami tekanan termal pada suhu 200 °C, perilaku serbuk menjadi sangat menarik. Pada sampel A dan B, muatan awal menurun dan muatan akhir bergeser dari negatif ke positif. Serbuk SS 316L memiliki muatan awal tertinggi dan perubahan densitas muatannya menjadi positif tetapi tetap rendah (yaitu 0,033 nC/g).
Kami menyelidiki pengaruh degradasi termal terhadap perilaku gabungan serbuk paduan aluminium (AlSi10Mg) dan baja tahan karat 316L, sementara serbuk asli dianalisis setelah 2 jam pada suhu 200°C di udara.
Penggunaan bubuk pada suhu tinggi dapat meningkatkan kelancaran aliran produk, efek yang tampaknya lebih penting untuk bubuk dengan luas permukaan spesifik tinggi dan material dengan konduktivitas termal tinggi. GranuDrum digunakan untuk mengevaluasi aliran, GranuPack digunakan untuk analisis pengemasan dinamis, dan GranuCharge digunakan untuk menganalisis triboelektrisitas bubuk yang bersentuhan dengan pipa baja tahan karat 316L.
Hasil ini ditentukan menggunakan GranuPack, yang menunjukkan peningkatan koefisien Hausner untuk setiap bubuk (kecuali sampel A, karena besarnya kesalahan) setelah proses tekanan termal. Tidak ditemukan tren yang jelas untuk parameter pengemasan (n1/2) karena beberapa produk menunjukkan peningkatan kecepatan pengemasan sementara yang lain memiliki efek yang kontras (misalnya Sampel B dan C).