אנו משתמשים בקובצי Cookie כדי לשפר את חוויית הגלישה שלך. על ידי המשך גלישה באתר זה, הנך מסכים לשימוש שלנו בקובצי Cookie. מידע נוסף.
ייצור תוספי (AM) כרוך ביצירת אובייקטים תלת-ממדיים, שכבה דקה במיוחד אחת בכל פעם, מה שהופך אותו ליקר יותר מעיבוד מסורתי. עם זאת, רק חלק קטן מהאבקה מרותך לרכיב במהלך תהליך ההרכבה. השאר אינו מתמזג, כך שניתן לעשות בהם שימוש חוזר. לעומת זאת, אם האובייקט נוצר בדרך הקלאסית, בדרך כלל נדרשת כרסום ועיבוד שבבי כדי להסיר חומר.
תכונות האבקה קובעות את פרמטרי המכונה ויש לקחת אותן בחשבון מלכתחילה. עלות ה-AM לא תהיה כלכלית בהתחשב בכך שהאבקה הלא מותכת מזוהמת ואינה ניתנת למחזור. פירוק האבקה גורם לשתי תופעות: שינוי כימי של המוצר ושינויים בתכונות מכניות כגון מורפולוגיה ופיזור גודל החלקיקים.
במקרה הראשון, המשימה העיקרית היא ליצור מבנים מוצקים המכילים סגסוגות טהורות, לכן עלינו להימנע מזיהום האבקה, למשל, עם תחמוצות או ניטרידים. בתופעה האחרונה, פרמטרים אלה קשורים לנזילות וליכולת התפשטות. לכן, כל שינוי בתכונות האבקה יכול להוביל לפיזור לא אחיד של המוצר.
נתונים מפרסומים אחרונים מצביעים על כך שמדי זרימה קלאסיים אינם יכולים לספק מידע הולם על פיזור האבקה ב-AM בהתבסס על מצע האבקה. בנוגע לאפיון חומר הגלם (או האבקה), קיימות מספר שיטות מדידה רלוונטיות בשוק שיכולות לענות על דרישה זו. מצב המאמץ ושדה הזרימה של האבקה חייבים להיות זהים במערך המדידה ובתהליך. נוכחות עומסי דחיסה אינה תואמת את זרימת פני השטח החופשית המשמשת במכשירי IM בבודקי גזירה ובראומטרים קלאסיים.
GranuTools פיתחה תהליך עבודה לאפיון אבקת AM. המטרה העיקרית שלנו היא לצייד כל גיאומטריה בכלי סימולציית תהליך מדויק, ותהליך עבודה זה משמש להבנה ומעקב אחר התפתחות איכות האבקה בתהליכי הדפסה שונים. מספר סגסוגות אלומיניום סטנדרטיות (AlSi10Mg) נבחרו למשךי זמן שונים בעומסים תרמיים שונים (מ-100 עד 200 מעלות צלזיוס).
ניתן לשלוט בפירוק תרמי על ידי ניתוח יכולת האבקה לצבור מטען חשמלי. האבקות נותחו מבחינת זרימה (מכשיר GranuDrum), קינטיקה של אריזה (מכשיר GranuPack) והתנהגות אלקטרוסטטית (מכשיר GranuCharge). מדידות של קוֹהֶזְיָה וקינטיקה של אריזה מתאימות למעקב אחר איכות האבקה.
אבקות קלות ליישום יציגו מדדי קוהזיציה נמוכים, בעוד שאבקות בעלות דינמיקת מילוי מהירה ייצרו חלקים מכניים בעלי נקבוביות נמוכה יותר בהשוואה למוצרים שקשה יותר למלא.
לאחר מספר חודשי אחסון במעבדה שלנו, נבחרו שלוש אבקות מסגסוגת אלומיניום עם התפלגות גודל חלקיקים שונה (AlSi10Mg) ודגימה אחת מפלדת אל-חלד 316L, המכונות כאן דגימות A, B ו-C. תכונות הדגימות עשויות להיות שונות מיצרנים אחרים. התפלגות גודל החלקיקים של הדגימה נמדדה באמצעות ניתוח דיפרקציית לייזר/ISO 13320.
מכיוון שהם שולטים בפרמטרים של המכונה, יש לקחת בחשבון תחילה את תכונות האבקה, ואם אבקות לא מותכות נחשבות מזוהמות ובלתי ניתנות למחזור, אז ייצור תוסף אינו חסכוני כפי שניתן לקוות. לכן, ייחקרו שלושה פרמטרים: זרימת אבקה, דינמיקת אריזה ואלקטרוסטטיקה.
יכולת המריחה קשורה לאחידות ול"חלקות" של שכבת האבקה לאחר פעולת הציפוי מחדש. זה חשוב מאוד מכיוון שמשטחים חלקים קלים יותר להדפסה וניתן לבחון אותם בעזרת כלי GranuDrum עם מדידת מדד הידבקות.
מכיוון שנקבוביות הן נקודות תורפה בחומר, הן עלולות להוביל לסדקים. דינמיקת המילוי היא הפרמטר המפתח השני, שכן אבקות למילוי מהיר מספקות נקבוביות נמוכה. התנהגות זו נמדדת באמצעות GranuPack עם ערך של n1/2.
נוכחותם של מטענים חשמליים באבקה יוצרת כוחות קוהזיביים המובילים להיווצרות של אגרגטים. GranuCharge מודד את יכולתן של אבקות לייצר מטען אלקטרוסטטי במגע עם חומרים נבחרים במהלך הזרימה.
במהלך העיבוד, GranuCharge יכול לחזות את הידרדרות הזרימה, למשל, בעת יצירת שכבה באבקת AM. לפיכך, המדידות המתקבלות רגישות מאוד למצב פני השטח של הגרעין (חמצון, זיהום וחספוס). לאחר מכן ניתן לכמת במדויק את הזדקנות האבקה הממוחזרת (±0.5 nC).
ה-GranuDrum היא שיטת מדידת זרימת אבקה מתוכנתת המבוססת על עקרון התוף המסתובב. מחצית מדגימת האבקה נמצאת בתוך גליל אופקי עם דפנות צד שקופות. התוף מסתובב סביב צירו במהירות זוויתית של 2 עד 60 סל"ד, ומצלמת ה-CCD מצלמת תמונות (מ-30 עד 100 תמונות במרווחים של שנייה אחת). ממשק האוויר/אבקה מזוהה בכל תמונה באמצעות אלגוריתם זיהוי שוליים.
חשב את המיקום הממוצע של הממשק ואת התנודות סביב מיקום ממוצע זה. עבור כל מהירות סיבוב, זווית הזרימה (או "זווית המנוחה הדינמית") αf מחושבת ממיקום הממשק הממוצע, וגורם הקוהזיציה הדינמי σf הקשור לקשר בין הגרעינים מנותח מתנודות הממשק.
זווית הזרימה מושפעת ממספר פרמטרים: חיכוך, צורה וכוחות קוהסיביים בין חלקיקים (כוחות ואן דר ואלס, כוחות אלקטרוסטטיים וקפילריים). אבקות קוהסיביות גורמות לזרימה לסירוגין, בעוד שאבקות לא צמיגות גורמות לזרימה סדירה. ערכים נמוכים של זווית הזרימה αf מתאימים לזרימה טובה. מדד הידבקות דינמי קרוב לאפס מתאים לאבקה לא קוהסיבית, כך שככל שההידבקות של האבקה עולה, מדד ההידבקות עולה בהתאם.
GranuDrum מאפשר לך למדוד את הזווית הראשונה של המפולת ואת אוורור האבקה במהלך הזרימה, כמו גם למדוד את מדד ההידבקות σf ואת זווית הזרימה αf בהתאם למהירות הסיבוב.
מדידות צפיפות הנפח, צפיפות הטאפינג ויחס האוזנר של GranuPack (הידועות גם כ"מבחני טאפינג") אידיאליות לאפיון אבקה בשל קלות ומהירות המדידה שלהן. צפיפות האבקה והיכולת להגדיל את צפיפותה הן פרמטרים חשובים במהלך אחסון, הובלה, צבירה וכו'. ההליכים המומלצים מפורטים בפרמקופיאה.
לבדיקה פשוטה זו שלושה חסרונות עיקריים. המדידה תלויה במפעיל, ושיטת המילוי משפיעה על הנפח ההתחלתי של האבקה. מדידת הנפח הכולל עלולה להוביל לשגיאות חמורות בתוצאות. בשל פשטות הניסוי, לא לקחנו בחשבון את דינמיקת הדחיסה בין המדידות הראשוניות והסופיות.
התנהגות האבקה שהוזנה ליציאה הרציפה נותחה באמצעות ציוד אוטומטי. מדדו במדויק את מקדם האוזנר Hr, את הצפיפות ההתחלתית ρ(0) ואת הצפיפות הסופית ρ(n) לאחר n קליקים.
מספר הנגיעות קבוע בדרך כלל ב-n=500. ה-GranuPack הוא מדידת צפיפות הנגיעות אוטומטית ומתקדמת המבוססת על מחקר דינמי עדכני.
ניתן להשתמש באינדקסים אחרים, אך הם אינם מסופקים כאן. האבקה מונחת לתוך צינור מתכת באמצעות תהליך אתחול אוטומטי קפדני. האקסטרפולציה של הפרמטר הדינמי n1/2 והצפיפות המקסימלית ρ(∞) הוסרה מעקומת הדחיסה.
גליל חלול קל משקל יושב על גבי מצע האבקה כדי לשמור על ממשק אבקה/אוויר מאוזן במהלך הדחיסה. הצינור המכיל את דגימת האבקה עולה לגובה קבוע ΔZ ונופל בחופשיות לגובה שבדרך כלל קבוע ב-ΔZ = 1 מ"מ או ΔZ = 3 מ"מ, הנמדד אוטומטית לאחר כל נגיעה. חשב את הנפח V של הערימה מהגובה.
צפיפות היא היחס בין המסה m לנפח שכבת האבקה V. מסת האבקה m ידועה, הצפיפות ρ מיושמת לאחר כל פגיעה.
מקדם האוזנר Hr קשור לגורם הדחיסה ונותח על ידי המשוואה Hr = ρ(500) / ρ(0), כאשר ρ(0) היא צפיפות הנפח ההתחלתית ו-ρ(500) היא הזרימה המחושבת לאחר 500 מחזורים. צפיפות טאצ'. בעת שימוש בשיטת GranuPack, התוצאות ניתנות לשחזור באמצעות כמות קטנה של אבקה (בדרך כלל 35 מ"ל).
תכונות האבקה ותכונות החומר ממנו עשוי המכשיר הן פרמטרים מרכזיים. במהלך הזרימה, נוצרים מטענים אלקטרוסטטיים בתוך האבקה עקב האפקט הטריבואלקטרי, שהוא חילופי מטענים כאשר שני מוצקים באים במגע.
כאשר האבקה זורמת בתוך המכשיר, מתרחשת אפקט טריבואלקטרי במגע בין החלקיקים ובמגע בין החלקיקים למכשיר.
במגע עם החומר הנבחר, ה-GranuCharge מודד אוטומטית את כמות המטען האלקטרוסטטי הנוצרת בתוך האבקה במהלך הזרימה. דגימת האבקה זורמת בתוך צינור ה-V הרוטט ונופלת לתוך כוס פאראדיי המחוברת לאלקטרומטר המודד את המטען שנרכש כאשר האבקה נעה בתוך צינור ה-V. לקבלת תוצאות ניתנות לשחזור, השתמשו במכשיר מסתובב או רוטט כדי להזין את צינורות ה-V לעתים קרובות.
האפקט הטריבואלקטרי גורם לגוף אחד לצבור אלקטרונים על פניו וכך להפוך למטען שלילי, בעוד שגוף אחר מאבד אלקטרונים וכך הופך למטען חיובי. חומרים מסוימים צוברים אלקטרונים בקלות רבה יותר מאחרים, ובאופן דומה, חומרים אחרים מאבדים אלקטרונים בקלות רבה יותר.
איזה חומר הופך לשלילי ואיזה הופך חיובי תלוי בנטייה היחסית של החומרים המעורבים לצבור או לאבד אלקטרונים. כדי לייצג מגמות אלו, פותחה הסדרה הטריבואלקטרית המוצגת בטבלה 1. חומרים בעלי מגמת מטען חיובית ואחרים בעלי מגמת מטען שלילית מופיעים, ושיטות חומרים שאינן מראות מגמת התנהגות כלשהי מופיעות במרכז הטבלה.
מצד שני, הטבלה מספקת מידע רק על מגמות בהתנהגות הטעינה של חומרים, ולכן GranuCharge נוצר כדי לספק ערכים מספריים מדויקים להתנהגות הטעינה של אבקות.
מספר ניסויים בוצעו כדי לנתח פירוק תרמי. הדגימות הונחו ב-200 מעלות צלזיוס למשך שעה עד שעתיים. לאחר מכן האבקה נותחה מיד באמצעות GranuDrum (שם חם). לאחר מכן האבקה הונחה במיכל עד להגעה לטמפרטורת הסביבה ולאחר מכן נותחה באמצעות GranuDrum, GranuPack ו-GranuCharge (כלומר "קר").
דגימות גולמיות נותחו באמצעות GranuPack, GranuDrum ו-GranuCharge באותה לחות/טמפרטורת חדר (כלומר 35.0 ± 1.5% לחות יחסית וטמפרטורה של 21.0 ± 1.0 מעלות צלזיוס).
מדד הלכידות מחשב את יכולת הזרימה של האבקות ומתואם עם שינויים במיקום הממשק (אבקה/אוויר), שהם שלושה כוחות מגע בלבד (כוחות ואן דר ואלס, כוחות קפילריים וכוחות אלקטרוסטטיים). לפני הניסוי, נרשמו לחות האוויר היחסית (RH, %) והטמפרטורה (°C). לאחר מכן, האבקה נשפכה לתוף, והניסוי החל.
הסקנו כי מוצרים אלה אינם רגישים לאגלומרציה כאשר מתחשבים בפרמטרים תיקסוטרופיים. מעניין לציין, שעקה תרמית שינתה את ההתנהגות הריאולוגית של האבקות של דגימות A ו-B מעיבוי גזירה לדילול גזירה. מצד שני, דגימות C ו-SS 316L לא הושפעו מהטמפרטורה והראו רק עיבוי גזירה. לכל אבקה הייתה יכולת התפשטות טובה יותר (כלומר, מדד קוהזיציה נמוך יותר) לאחר חימום וקירור.
השפעת הטמפרטורה תלויה גם בשטח הספציפי של החלקיקים. ככל שמוליכות התרמית של החומר גבוהה יותר, כך גדלה ההשפעה על הטמפרטורה (כלומר θ225°⁻¹=250°⁻¹-1°C) ו-θ316°⁻¹. 225°⁻¹=19°⁻¹-1°C). ככל שהחלקיק קטן יותר, כך גדלה השפעת הטמפרטורה. אבקות מסגסוגת אלומיניום מצוינות ליישומים בטמפרטורה גבוהה בשל יכולת ההתפשטות המוגברת שלהן, ואפילו דגימות מקוררות משיגות יכולת זרימה טובה יותר מהאבקות המקוריות.
עבור כל ניסוי GranuPack, מסת האבקה נרשמה לפני כל ניסוי, והדגימה נפגעה 500 פעמים בתדר פגיעה של 1 הרץ עם נפילה חופשית של 1 מ"מ בתא המדידה (אנרגיית פגיעה ∝). הדגימה הוכנסה לתא המדידה בהתאם להוראות תוכנה שאינן תלויות במשתמש. לאחר מכן המדידות חזרו על עצמן פעמיים כדי להעריך את השחזור ולבחון את הממוצע וסטיית התקן.
לאחר השלמת ניתוח GranuPack, מוצגים צפיפות הנפח ההתחלתית (ρ(0)), צפיפות הנפח הסופית (במספר דחיסות, n = 500, כלומר ρ(500)), יחס האוזנר/מדד קאר (Hr/Cr) ושני פרמטרי רישום (n1/2 ו-τ) הקשורים לקינטיקה של הדחיסה. הצפיפות האופטימלית ρ(∞) מוצגת גם כן (ראה נספח 1). הטבלה שלהלן מארגנת מחדש את נתוני הניסוי.
איורים 6 ו-7 מציגים את עקומת הדחיסה הכוללת (צפיפות נפח לעומת מספר פגיעות) ואת יחס פרמטר n1/2/האוזנר. סרגלי שגיאה שחושבו באמצעות הממוצע מוצגים בכל עקומה, וסטיית התקן חושבו באמצעות בדיקות חזרתיות.
מוצר הנירוסטה 316L היה המוצר הכבד ביותר (ρ(0) = 4.554 גרם/מ"ל). מבחינת צפיפות הקשה, SS 316L נותר האבקה הכבדה ביותר (ρ(n) = 5.044 גרם/מ"ל), אחריה דגימה A (ρ(n) = 1.668 גרם/מ"ל), ואחריה דגימה B (ρ(n) = 1.668 גרם/מ"ל). /מ"ל) (n) = 1.645 גרם/מ"ל). דגימה C הייתה הנמוכה ביותר (ρ(n) = 1.581 גרם/מ"ל). לפי צפיפות הנפח של האבקה הראשונית, אנו רואים שדגימה A היא הקלה ביותר, ובהתחשב בשגיאות (1.380 גרם/מ"ל), לדגימות B ו-C יש ערך זהה בערך.
ככל שהאבקה מחוממת, יחס האוזנר שלה יורד, וזה קורה רק עם דגימות B, C ו-SS 316L. עבור דגימה A, לא ניתן היה לבצע זאת עקב גודל סרגלי השגיאה. עבור n1/2, קו הדגירה הפרמטרי של המגמה מורכב יותר. עבור דגימה A ו-SS 316L, ערך n1/2 ירד לאחר שעתיים ב-200°C, בעוד שעבור אבקות B ו-C הוא עלה לאחר טעינה תרמית.
בכל ניסוי של GranuCharge נעשה שימוש במזין רוטט (ראה איור 8). נעשה שימוש בצינורות נירוסטה 316L. המדידות חזרו על עצמן 3 פעמים כדי להעריך את יכולת השחזור. משקל המוצר ששימש לכל מדידה היה כ-40 מ"ל ולא נמצאה אבקה לאחר המדידה.
לפני הניסוי, נרשמו משקל האבקה (mp, g), לחות האוויר היחסית (RH, %) והטמפרטורה (°C). בתחילת הניסוי, נמדדה צפיפות המטען של האבקה הראשונית (q0 ב-µC/kg) על ידי הנחת האבקה בכוס פאראדיי. לבסוף, נקבעה מסת האבקה וחושבו צפיפות המטען הסופית (qf, µC/kg) ו-Δq (Δq = qf – q0) בסוף הניסוי.
נתוני GranuCharge הגולמיים מוצגים בטבלה 2 ובאיור 9 (σ הוא סטיית התקן המחושבת מתוצאות מבחן השחזור), והתוצאות מוצגות כהיסטוגרמה (רק q0 ו-Δq מוצגים). ל-SS 316L יש את המטען ההתחלתי הנמוך ביותר; ייתכן שזה נובע מהעובדה שלמוצר זה יש את ה-PSD הגבוה ביותר. בכל הנוגע לטעינה ההתחלתית של אבקת סגסוגת אלומיניום ראשונית, לא ניתן להסיק מסקנות עקב גודל השגיאות.
לאחר מגע עם צינור נירוסטה 316L, דגימה A קיבלה את כמות המטען הנמוכה ביותר, בעוד שאבקות B ו-C הראו מגמה דומה, אם שפשפו אבקת נירוסטה 316L כנגד נירוסטה 316L, נמצאה צפיפות מטען קרובה ל-0 (ראה סדרה טריבואלקטרית). מוצר B עדיין טעון יותר מ-A. עבור דגימה C, המגמה נמשכת (מטען התחלתי חיובי ומטען סופי לאחר דליפה), אך מספר המטענים עולה לאחר פירוק תרמי.
לאחר שעתיים של מאמץ תרמי ב-200 מעלות צלזיוס, התנהגות האבקה הופכת למעניינת מאוד. בדגימות A ו-B, המטען ההתחלתי ירד והמטען הסופי עבר משלילי לחיובי. לאבקה SS 316L היה המטען ההתחלתי הגבוה ביותר ושינוי צפיפות המטען שלה הפך חיובי אך נותר נמוך (כלומר 0.033 nC/g).
חקרנו את השפעת הפירוק התרמי על ההתנהגות המשולבת של אבקות מסגסוגת אלומיניום (AlSi10Mg) ופלדת אל-חלד 316L, בעוד שהאבקות המקוריות נותחו לאחר שעתיים ב-200 מעלות צלזיוס באוויר.
השימוש באבקות בטמפרטורות גבוהות יכול לשפר את זרימת המוצר, השפעה שנראית חשובה יותר עבור אבקות בעלות שטח סגולי גבוה וחומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה. GranuDrum שימש להערכת זרימה, GranuPack שימש לניתוח אריזה דינמי, ו-GranuCharge שימש לניתוח הטריבואלקטריות של אבקה במגע עם צינור נירוסטה 316L.
תוצאות אלו נקבעו באמצעות GranuPack, אשר הראה שיפור במקדם האוזנר עבור כל אבקה (למעט דגימה A, עקב גודל השגיאות) לאחר תהליך המאמץ התרמי. לא נמצאה מגמה ברורה עבור פרמטר האריזה (n1/2) מכיוון שחלק מהמוצרים הראו עלייה במהירות האריזה בעוד שאחרים הראו השפעה מנוגדת (למשל דגימות B ו-C).