Na zlepšenie vášho zážitku používame súbory cookie. Pokračovaním v prehliadaní tejto stránky súhlasíte s používaním súborov cookie. Ďalšie informácie.
Aditívna výroba (AM) zahŕňa vytváranie 3D objektov, jednu ultratenkú vrstvu po druhej, čo ju robí drahšou ako tradičné spracovanie. Počas procesu montáže sa však k súčiastke privarí iba malá časť prášku. Zvyšok sa netaví, takže sa dá opätovne použiť. Naproti tomu, ak sa objekt vytvorí klasickým spôsobom, zvyčajne si vyžaduje frézovanie a obrábanie na odstránenie materiálu.
Vlastnosti prášku určujú parametre stroja a musia sa brať do úvahy v prvom rade. Náklady na aditívny mechanik by neboli ekonomické, keďže neroztavený prášok je kontaminovaný a nerecyklovateľný. Degradácia prášku má za následok dva javy: chemickú modifikáciu produktu a zmeny mechanických vlastností, ako je morfológia a distribúcia veľkosti častíc.
V prvom prípade je hlavnou úlohou vytvoriť pevné štruktúry obsahujúce čisté zliatiny, preto sa musíme vyhnúť kontaminácii prášku, napríklad oxidmi alebo nitridmi. V druhom prípade sú tieto parametre spojené s tekutosťou a roztierateľnosťou. Preto akákoľvek zmena vlastností prášku môže viesť k nerovnomernému rozloženiu produktu.
Údaje z nedávnych publikácií naznačujú, že klasické prietokomery nedokážu poskytnúť adekvátne informácie o distribúcii prášku v ampulznom materiáli na základe práškového lôžka. Pokiaľ ide o charakterizáciu suroviny (alebo prášku), na trhu existuje niekoľko relevantných metód merania, ktoré dokážu túto požiadavku splniť. Stav napätia a pole prúdenia prášku musia byť rovnaké v meracom nastavení aj v procese. Prítomnosť tlakových zaťažení je nezlučiteľná s voľným povrchovým prúdením používaným v zariadeniach na miešanie v strižných testeroch a klasických reometroch.
Spoločnosť GranuTools vyvinula pracovný postup na charakterizáciu aditívneho prášku. Naším hlavným cieľom je vybaviť každú geometriu presným nástrojom na simuláciu procesu a tento pracovný postup sa používa na pochopenie a sledovanie vývoja kvality prášku v rôznych tlačiarenských procesoch. Bolo vybraných niekoľko štandardných hliníkových zliatin (AlSi10Mg) pre rôzne trvania pri rôznych tepelných zaťaženiach (od 100 do 200 °C).
Tepelnú degradáciu je možné kontrolovať analýzou schopnosti prášku akumulovať elektrický náboj. Prášky boli analyzované na tekutosť (prístroj GranuDrum), kinetiku balenia (prístroj GranuPack) a elektrostatické správanie (prístroj GranuCharge). Merania kohézie a kinetiky balenia sú vhodné na sledovanie kvality prášku.
Prášky, ktoré sa ľahko nanášajú, vykazujú nízke indexy kohézie, zatiaľ čo prášky s rýchlou dynamikou plnenia vytvárajú mechanické súčiastky s nižšou pórovitosťou v porovnaní s ťažšie plniteľnými produktmi.
Po niekoľkých mesiacoch skladovania v našom laboratóriu boli vybrané tri prášky hliníkových zliatin s rôznym rozložením veľkosti častíc (AlSi10Mg) a jedna vzorka nehrdzavejúcej ocele 316L, tu označované ako vzorky A, B a C. Vlastnosti vzoriek sa môžu líšiť od iných výrobcov. Rozloženie veľkosti častíc vzorky bolo merané laserovou difrakčnou analýzou/ISO 13320.
Keďže riadia parametre stroja, musia sa najprv zvážiť vlastnosti prášku a ak sa neroztavené prášky považujú za kontaminované a nerecyklovateľné, potom aditívna výroba nie je taká ekonomická, ako by sa dalo dúfať. Preto sa budú skúmať tri parametre: tok prášku, dynamika balenia a elektrostatika.
Roztierateľnosť súvisí s rovnomernosťou a „hladkosťou“ práškovej vrstvy po operácii opätovného nanášania. To je veľmi dôležité, pretože hladké povrchy sa ľahšie tlačia a možno ich skúmať pomocou nástroja GranuDrum s meraním indexu adhézie.
Keďže póry sú slabými miestami materiálu, môžu viesť k prasklinám. Dynamika plnenia je druhým kľúčovým parametrom, pretože rýchlo sa plniace prášky poskytujú nízku pórovitosť. Toto správanie sa meria pomocou GranuPacku s hodnotou n1/2.
Prítomnosť elektrických nábojov v prášku vytvára kohézne sily, ktoré vedú k tvorbe aglomerátov. GranuCharge meria schopnosť práškov generovať elektrostatický náboj pri kontakte s vybranými materiálmi počas toku.
Počas spracovania dokáže GranuCharge predpovedať zhoršenie toku, napríklad pri vytváraní vrstvy v aditívnom mechanike. Získané merania sú teda veľmi citlivé na stav povrchu zrna (oxidácia, kontaminácia a drsnosť). Starnutie získaného prášku je potom možné presne kvantifikovať (±0,5 nC).
GranuDrum je programovaná metóda merania prietoku prášku založená na princípe rotujúceho bubna. Polovica vzorky prášku je obsiahnutá v horizontálnom valci s priehľadnými bočnými stenami. Bubon sa otáča okolo svojej osi uhlovou rýchlosťou 2 až 60 ot./min. a CCD kamera sníma snímky (30 až 100 snímok v 1-sekundových intervaloch). Rozhranie vzduch/prášok je na každom snímku identifikované pomocou algoritmu detekcie hrán.
Vypočítajte priemernú polohu rozhrania a oscilácie okolo tejto priemernej polohy. Pre každú rýchlosť otáčania sa uhol prúdenia (alebo „dynamický sypný uhol“) αf vypočíta zo strednej polohy rozhrania a faktor dynamickej kohézie σf spojený s medzizrnnými väzbami sa analyzuje z fluktuácií rozhrania.
Uhol prúdenia je ovplyvnený niekoľkými parametrami: trením, tvarom a súdržnosťou medzi časticami (van der Waalsove, elektrostatické a kapilárne sily). Kohézne prášky vedú k prerušovanému prúdeniu, zatiaľ čo neviskózne prášky vedú k pravidelnému prúdeniu. Nízke hodnoty uhla prúdenia αf zodpovedajú dobrému prúdeniu. Dynamický index adhézie blízky nule zodpovedá nekohéznemu prášku, takže so zvyšujúcou sa adhéziou prášku sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje aj index adhézie.
GranuDrum umožňuje merať prvý uhol lavíny a prevzdušnenie prášku počas prúdenia, ako aj merať index adhézie σf a uhol prúdenia αf v závislosti od rýchlosti otáčania.
Merania sypnej hustoty, hustoty po poklepaní a Hausnerovho pomeru prístrojom GranuPack (známe aj ako „poklepávacie testy“) sú ideálne na charakterizáciu prášku vďaka ich jednoduchosti a rýchlosti merania. Hustota prášku a schopnosť zvýšiť jeho hustotu sú dôležitými parametrami počas skladovania, prepravy, aglomerácie atď. Odporúčané postupy sú uvedené v liekopise.
Tento jednoduchý test má tri hlavné nevýhody. Meranie závisí od operátora a spôsob plnenia ovplyvňuje počiatočný objem prášku. Meranie celkového objemu môže viesť k vážnym chybám vo výsledkoch. Vzhľadom na jednoduchosť experimentu sme nezohľadnili dynamiku zhutňovania medzi počiatočným a konečným meraním.
Správanie prášku privádzaného do kontinuálneho výstupu bolo analyzované pomocou automatizovaného zariadenia. Presne zmerajte Hausnerov koeficient Hr, počiatočnú hustotu ρ(0) a konečnú hustotu ρ(n) po n kliknutiach.
Počet odberov je zvyčajne pevne stanovený na n = 500. GranuPack je automatizované a pokročilé meranie hustoty odberu založené na nedávnom dynamickom výskume.
Môžu sa použiť aj iné indexy, ale tu nie sú uvedené. Prášok sa umiestni do kovovej trubice prostredníctvom prísneho automatizovaného inicializačného procesu. Extrapolácia dynamického parametra n1/2 a maximálnej hustoty ρ(∞) bola z krivky zhutňovania odstránená.
Na vrchu práškového lôžka je umiestnený ľahký dutý valec, ktorý počas zhutňovania udržiava rozhranie prášok/vzduch v rovine. Trubica obsahujúca vzorku prášku stúpa do pevnej výšky ΔZ a voľne klesá vo výške, ktorá je zvyčajne pevne stanovená na ΔZ = 1 mm alebo ΔZ = 3 mm, a ktorá sa automaticky meria po každom dotyku. Z výšky vypočítajte objem V kopy.
Hustota je pomer hmotnosti m k objemu vrstvy prášku V. Hmotnosť prášku m je známa, hustota ρ sa aplikuje po každom náraze.
Hausnerov koeficient Hr súvisí s faktorom zhutnenia a analyzuje sa rovnicou Hr = ρ(500) / ρ(0), kde ρ(0) je počiatočná objemová hmotnosť a ρ(500) je vypočítaný prietok po 500 cykloch. Meranie hustoty. Pri použití metódy GranuPack sú výsledky reprodukovateľné s použitím malého množstva prášku (zvyčajne 35 ml).
Vlastnosti prášku a vlastnosti materiálu, z ktorého je zariadenie vyrobené, sú kľúčovými parametrami. Počas prúdenia sa vo vnútri prášku vytvárajú elektrostatické náboje v dôsledku triboelektrického efektu, čo je výmena nábojov pri kontakte dvoch pevných látok.
Keď prášok prúdi vo vnútri zariadenia, dochádza k triboelektrickému efektu v mieste kontaktu medzi časticami a v mieste kontaktu medzi časticami a zariadením.
Po kontakte s vybraným materiálom GranuCharge automaticky meria množstvo elektrostatického náboja generovaného vo vnútri prášku počas prúdenia. Vzorka prášku prúdi vo vnútri vibrujúcej V-trubice a padá do Faradayovej nádobky pripojenej k elektrometru, ktorý meria náboj získaný pri pohybe prášku vo V-trubici. Pre reprodukovateľné výsledky použite na časté podávanie V-trubíc rotačné alebo vibračné zariadenie.
Triboelektrický jav spôsobuje, že jeden objekt na svojom povrchu získava elektróny a tým sa stáva záporne nabitým, zatiaľ čo iný objekt stráca elektróny a tým sa stáva kladne nabitým. Niektoré materiály získavajú elektróny ľahšie ako iné a podobne iné materiály elektróny ľahšie strácajú.
Ktorý materiál sa stane negatívnym a ktorý pozitívnym, závisí od relatívneho sklonu príslušných materiálov získavať alebo strácať elektróny. Na znázornenie týchto trendov bol vyvinutý triboelektrický rad uvedený v tabuľke 1. Uvedené sú materiály s kladným trendom náboja a iné materiály so záporným trendom náboja a materiálové metódy, ktoré nevykazujú žiadny trend správania, sú uvedené v strede tabuľky.
Na druhej strane, tabuľka poskytuje iba informácie o trendoch v správaní materiálov pri nabíjaní, takže GranuCharge bol vytvorený na poskytovanie presných číselných hodnôt pre správanie práškov pri nabíjaní.
Na analýzu tepelného rozkladu sa vykonalo niekoľko experimentov. Vzorky sa umiestnili do teploty 200 °C na jednu až dve hodiny. Prášok sa potom okamžite analyzuje pomocou GranuDrum (názov „horúci“). Prášok sa potom umiestnil do nádoby, kým nedosiahol okolitú teplotu, a následne sa analyzoval pomocou GranuDrum, GranuPack a GranuCharge (t. j. „studený“).
Nespracované vzorky boli analyzované pomocou GranuPack, GranuDrum a GranuCharge pri rovnakej izbovej vlhkosti/teplote (t. j. 35,0 ± 1,5 % relatívnej vlhkosti a teplote 21,0 ± 1,0 °C).
Index kohézie vypočítava tekutosť práškov a koreluje so zmenami polohy rozhrania (prášok/vzduch), čo sú iba tri kontaktné sily (van der Waalsova, kapilárna a elektrostatická sila). Pred experimentom sa zaznamenala relatívna vlhkosť vzduchu (RH, %) a teplota (°C). Potom sa prášok nasypal do suda a experiment sa začal.
Dospeli sme k záveru, že tieto produkty nie sú náchylné na aglomeráciu pri zohľadnení tixotropných parametrov. Je zaujímavé, že tepelné namáhanie zmenilo reologické správanie práškov vzoriek A a B zo šmykového zhrubnutia na šmykové stenčenie. Na druhej strane, vzorky C a SS 316L neboli ovplyvnené teplotou a vykazovali iba šmykové zhrubnutie. Každý prášok mal po zahriatí a ochladení lepšiu roztierateľnosť (t. j. nižší index kohézie).
Vplyv teploty závisí aj od špecifickej plochy častíc. Čím vyššia je tepelná vodivosť materiálu, tým väčší je vplyv teploty (t. j. ???225°?=250°C.?-1°C) a ???316°C. 225°C=19°C.?-1°C). Čím menšia je častica, tým väčší je vplyv teploty. Prášky hliníkových zliatin sú vynikajúce pre aplikácie pri vysokých teplotách vďaka svojej zvýšenej roztierateľnosti a aj ochladené vzorky dosahujú lepšiu tekutosť ako pôvodné prášky.
Pre každý experiment GranuPack bola pred každým experimentom zaznamenaná hmotnosť prášku a vzorka bola 500-krát zasiahnutá s frekvenciou nárazu 1 Hz s voľným pádom 1 mm v meracej cele (energia nárazu ∝). Vzorka bola dávkovaná do meracej cely podľa pokynov softvéru nezávislého od používateľa. Merania boli potom dvakrát opakované, aby sa posúdila reprodukovateľnosť a skúmala sa priemerná hodnota a štandardná odchýlka.
Po dokončení analýzy GranuPack sa zobrazí počiatočná objemová hustota (ρ(0)), konečná objemová hustota (pri viacerých poklepaniach, n = 500, t. j. ρ(500)), Hausnerov pomer/Carrov index (Hr/Cr) a dva registračné parametre (n1/2 a τ) súvisiace s kinetikou zhutňovania. Zobrazená je aj optimálna hustota ρ(∞) (pozri dodatok 1). Tabuľka nižšie uvádza reštrukturalizáciu experimentálnych údajov.
Obrázky 6 a 7 znázorňujú celkovú krivku zhutňovania (objemová hustota verzus počet nárazov) a pomer parametrov n1/2/Hausner. Na každej krivke sú zobrazené chybové úsečky vypočítané pomocou priemeru a štandardné odchýlky boli vypočítané testom opakovateľnosti.
Výrobok z nehrdzavejúcej ocele 316L bol najťažším produktom (ρ(0) = 4,554 g/ml). Čo sa týka hustoty po strasení, SS 316L zostáva najťažším práškom (ρ(n) = 5,044 g/ml), nasledovaná vzorkou A (ρ(n) = 1,668 g/ml) a následne vzorkou B (ρ(n) = 1,668 g/ml). (n) = 1,645 g/ml). Vzorka C mala najnižšiu objemovú hustotu (ρ(n) = 1,581 g/ml). Podľa objemovej hustoty východiskového prášku vidíme, že vzorka A je najľahšia a po zohľadnení chýb (1,380 g/ml) majú vzorky B a C približne rovnakú hodnotu.
Pri zahrievaní prášku sa jeho Hausnerov pomer znižuje, a to sa vyskytuje iba pri vzorkách B, C a SS 316L. Pre vzorku A nebolo možné vykonať analýzu kvôli veľkosti chybových úsečiek. Pre n1/2 je zdôraznenie parametrického trendu zložitejšie. Pre vzorku A a SS 316L sa hodnota n1/2 po 2 hodinách pri 200 °C znížila, zatiaľ čo pre prášky B a C sa po tepelnom zaťažení zvýšila.
Pre každý experiment GranuCharge bol použitý vibračný podávač (pozri obrázok 8). Použili sa trubice z nehrdzavejúcej ocele 316L. Merania sa zopakovali 3-krát, aby sa posúdila reprodukovateľnosť. Hmotnosť produktu použitého pre každé meranie bola približne 40 ml a po meraní sa nezachytil žiadny prášok.
Pred experimentom sa zaznamenala hmotnosť prášku (mp, g), relatívna vlhkosť vzduchu (RH, %) a teplota (°C). Na začiatku testu sa merala hustota náboja primárneho prášku (q0 v µC/kg) umiestnením prášku do Faradayovej misky. Nakoniec sa hmotnosť prášku fixovala a vypočítala sa konečná hustota náboja (qf, µC/kg) a Δq (Δq = qf – q0) na konci experimentu.
Nespracované údaje GranuCharge sú uvedené v tabuľke 2 a na obrázku 9 (σ je štandardná odchýlka vypočítaná z výsledkov testu reprodukovateľnosti) a výsledky sú zobrazené ako histogram (zobrazené sú iba q0 a Δq). SS 316L má najnižšie počiatočné náboje; to môže byť spôsobené tým, že tento produkt má najvyššiu PSD. Pokiaľ ide o počiatočné náboje prášku primárnej hliníkovej zliatiny, nie je možné vyvodiť žiadne závery kvôli veľkosti chýb.
Po kontakte s rúrkou z nehrdzavejúcej ocele 316L prijala vzorka A najmenšie množstvo náboja, zatiaľ čo prášky B a C vykazovali podobný trend. Ak sa prášok SS 316L trel o SS 316L, zistila sa hustota náboja blízka 0 (pozri triboelektrický rad). Produkt B je stále viac nabitý ako A. V prípade vzorky C tento trend pokračuje (kladný počiatočný náboj a konečný náboj po úniku), ale počet nábojov sa po tepelnej degradácii zvyšuje.
Po 2 hodinách tepelného namáhania pri 200 °C sa správanie prášku stáva veľmi zaujímavým. Vo vzorkách A a B sa počiatočný náboj znížil a konečný náboj sa zmenil zo záporného na kladný. Prášok SS 316L mal najvyšší počiatočný náboj a zmena hustoty jeho náboja sa stala kladnou, ale zostala nízka (t. j. 0,033 nC/g).
Skúmali sme vplyv tepelnej degradácie na kombinované správanie práškov hliníkovej zliatiny (AlSi10Mg) a nehrdzavejúcej ocele 316L, pričom pôvodné prášky boli analyzované po 2 hodinách pri teplote 200 °C na vzduchu.
Použitie práškov pri zvýšených teplotách môže zlepšiť tekutosť produktu, čo je efekt, ktorý sa javí ako dôležitejší pre prášky s vysokou špecifickou plochou a materiály s vysokou tepelnou vodivosťou. GranuDrum sa použil na vyhodnotenie toku, GranuPack sa použil na dynamickú analýzu balenia a GranuCharge sa použil na analýzu triboelektrickej sily prášku v kontakte s rúrkou z nehrdzavejúcej ocele 316L.
Tieto výsledky boli získané pomocou GranuPacku, ktorý preukázal zlepšenie Hausnerovho koeficientu pre každý prášok (s výnimkou vzorky A, kvôli veľkosti chýb) po procese tepelného namáhania. Pre parameter balenia (n1/2) sa nezistil žiadny jasný trend, pretože niektoré produkty vykazovali zvýšenie rýchlosti balenia, zatiaľ čo iné mali kontrastný efekt (napr. vzorky B a C).