Za izboljšanje vaše izkušnje uporabljamo piškotke. Z nadaljnjim brskanjem po tem spletnem mestu se strinjate z našo uporabo piškotkov. Dodatne informacije.
Aditivna proizvodnja (AM) vključuje ustvarjanje 3D-predmetov, eno ultra tanko plast naenkrat, zaradi česar je dražja od tradicionalne obdelave. Vendar pa se med postopkom sestavljanja na komponento privari le majhen del prahu. Preostanek se ne zlije, zato ga je mogoče ponovno uporabiti. Nasprotno pa je pri izdelavi predmeta na klasičen način običajno potrebno rezkanje in strojna obdelava za odstranitev materiala.
Lastnosti prahu določajo parametre stroja in jih je treba upoštevati na prvem mestu. Stroški aditivne proizvodnje ne bi bili ekonomični, saj je nestopljeni prah onesnažen in ga ni mogoče reciklirati. Razgradnja prahu povzroči dva pojava: kemično modifikacijo izdelka in spremembe mehanskih lastnosti, kot sta morfologija in porazdelitev velikosti delcev.
V prvem primeru je glavna naloga ustvariti trdne strukture, ki vsebujejo čiste zlitine, zato se moramo izogniti kontaminaciji prahu, na primer z oksidi ali nitridi. Pri slednjem pojavu so ti parametri povezani s tekočnostjo in mazljivostjo. Zato lahko vsaka sprememba lastnosti prahu povzroči neenakomerno porazdelitev izdelka.
Podatki iz novejših publikacij kažejo, da klasični merilniki pretoka ne morejo zagotoviti ustreznih informacij o porazdelitvi prahu v AM na podlagi prašne plasti. Glede karakterizacije surovine (ali prahu) je na trgu več ustreznih merilnih metod, ki lahko izpolnijo to zahtevo. Napetostno stanje in polje pretoka prahu morata biti enaka v merilni nastavitvi in ​​v procesu. Prisotnost tlačnih obremenitev ni združljiva s tokom proste površine, ki se uporablja v napravah za IM v strižnih testerjih in klasičnih reometrih.
GranuTools je razvil potek dela za karakterizacijo AM prahu. Naš glavni cilj je opremiti vsako geometrijo z natančnim orodjem za simulacijo procesa, ta potek dela pa se uporablja za razumevanje in sledenje razvoja kakovosti prahu v različnih tiskarskih procesih. Izbranih je bilo več standardnih aluminijevih zlitin (AlSi10Mg) za različna trajanja pri različnih toplotnih obremenitvah (od 100 do 200 °C).
Toplotno razgradnjo je mogoče nadzorovati z analizo sposobnosti prahu za kopičenje električnega naboja. Praški so bili analizirani glede na pretočnost (instrument GranuDrum), kinetiko pakiranja (instrument GranuPack) in elektrostatično obnašanje (instrument GranuCharge). Meritve kohezije in kinetike pakiranja so primerne za sledenje kakovosti prahu.
Praški, ki jih je enostavno nanašati, bodo pokazali nizke kohezijske indekse, medtem ko bodo praški s hitro dinamiko polnjenja ustvarili mehanske dele z manjšo poroznostjo v primerjavi s težje polniljivimi izdelki.
Po več mesecih shranjevanja v našem laboratoriju smo izbrali tri vzorce aluminijevih zlitin z različnimi porazdelitvami velikosti delcev (AlSi10Mg) in en vzorec nerjavečega jekla 316L, ki jih tukaj imenujemo vzorci A, B in C. Lastnosti vzorcev se lahko razlikujejo od vzorcev drugih proizvajalcev. Porazdelitev velikosti delcev vzorca je bila izmerjena z lasersko difrakcijsko analizo/ISO 13320.
Ker nadzorujejo parametre stroja, je treba najprej upoštevati lastnosti prahu, in če se nestopljeni prahovi štejejo za kontaminirane in nereciklirajoče, potem aditivna proizvodnja ni tako ekonomična, kot bi si morda želeli. Zato bodo raziskani trije parametri: pretok prahu, dinamika pakiranja in elektrostatika.
Razmazljivost je povezana z enakomernostjo in »gladkostjo« praškaste plasti po ponovnem nanosu. To je zelo pomembno, saj je gladke površine lažje tiskati in jih je mogoče pregledati z orodjem GranuDrum z merjenjem indeksa adhezije.
Ker so pore šibke točke v materialu, lahko povzročijo razpoke. Dinamika polnjenja je drugi ključni parameter, saj hitro polnijoči se praški zagotavljajo nizko poroznost. To vedenje se meri z GranuPackom z vrednostjo n1/2.
Prisotnost električnih nabojev v prahu ustvarja kohezivne sile, ki vodijo do nastanka aglomeratov. GranuCharge meri sposobnost prahov, da ustvarijo elektrostatični naboj, ko so med tokom v stiku z izbranimi materiali.
Med obdelavo lahko GranuCharge predvidi poslabšanje pretoka, na primer pri oblikovanju plasti v aditivnem pomivanju (AM). Tako so pridobljene meritve zelo občutljive na stanje površine zrn (oksidacija, kontaminacija in hrapavost). Staranje pridobljenega prahu je nato mogoče natančno kvantificirati (±0,5 nC).
GranuDrum je programirana metoda merjenja pretoka prahu, ki temelji na principu vrtečega se bobna. Polovica vzorca prahu je v vodoravnem valju s prozornimi stranskimi stenami. Boben se vrti okoli svoje osi s kotno hitrostjo od 2 do 60 vrt/min, CCD kamera pa posname slike (od 30 do 100 slik v intervalih po 1 sekundo). Stikalo zrak/prah se na vsaki sliki prepozna z algoritmom za zaznavanje robov.
Izračunajte povprečni položaj vmesnika in nihanja okoli tega povprečnega položaja. Za vsako hitrost vrtenja se iz povprečnega položaja vmesnika izračuna kot pretoka (ali "dinamični kot mirovanja") αf, iz nihanj vmesnika pa se analizira faktor dinamične kohezije σf, povezan z medzrno vezjo.
Na kot toka vplivajo številni parametri: trenje, oblika in kohezija med delci (van der Waalsove, elektrostatične in kapilarne sile). Kohezivni praški povzročajo prekinjen tok, medtem ko neviskozni praški povzročajo enakomeren tok. Nizke vrednosti kota toka αf ustrezajo dobremu toku. Dinamični indeks adhezije blizu nič ustreza nekohezivnemu prahu, zato se z naraščanjem adhezije prahu ustrezno povečuje tudi indeks adhezije.
GranuDrum vam omogoča merjenje prvega kota plazu in zračenja prahu med tokom, kot tudi merjenje indeksa adhezije σf in kota toka αf, odvisno od hitrosti vrtenja.
Meritve gostote v razsutem stanju, gostote pritiskov in Hausnerjevega razmerja z napravo GranuPack (znane tudi kot »preskusi pritiskov«) so idealne za karakterizacijo prahu zaradi enostavnosti in hitrosti merjenja. Gostota prahu in možnost povečanja njene gostote sta pomembna parametra med shranjevanjem, transportom, aglomeracijo itd. Priporočeni postopki so opisani v farmakopeji.
Ta preprosti preizkus ima tri glavne pomanjkljivosti. Meritev je odvisna od operaterja, način polnjenja pa vpliva na začetni volumen prahu. Merjenje celotnega volumna lahko povzroči resne napake v rezultatih. Zaradi preprostosti poskusa nismo upoštevali dinamike zbijanja med začetno in končno meritvijo.
Obnašanje prahu, dovajanega v neprekinjeno odprtino, je bilo analizirano z avtomatizirano opremo. Natančno izmerite Hausnerjev koeficient Hr, začetno gostoto ρ(0) in končno gostoto ρ(n) po n klikih.
Število odvzemov je običajno fiksno na n=500. GranuPack je avtomatizirana in napredna merilna naprava za gostoto odvzemov, ki temelji na nedavnih dinamičnih raziskavah.
Uporabiti je mogoče tudi druge indekse, vendar tukaj niso navedeni. Prah se s pomočjo strogega avtomatiziranega inicializacijskega postopka namesti v kovinsko cev. Ekstrapolacija dinamičnega parametra n1/2 in največje gostote ρ(∞) je bila iz krivulje zbijanja odstranjena.
Na vrhu praškaste plasti je nameščen lahek votli valj, ki med stiskanjem ohranja ravno površino med praškom in zrakom. Cev z vzorcem praška se dvigne na fiksno višino ΔZ in prosto pade na višino, ki je običajno fiksna na ΔZ = 1 mm ali ΔZ = 3 mm, kar se samodejno izmeri po vsakem dotiku. Iz višine izračunajte prostornino V kupa.
Gostota je razmerje med maso m in volumnom plasti prahu V. Masa prahu m je znana, gostota ρ se nanese po vsakem udarcu.
Hausnerjev koeficient Hr je povezan s faktorjem zbijanja in se analizira z enačbo Hr = ρ(500) / ρ(0), kjer je ρ(0) začetna gostota v razsutem stanju, ρ(500) pa izračunani pretok po 500 ciklih. Merjenje gostote s pipo. Pri uporabi metode GranuPack so rezultati ponovljivi z majhno količino prahu (običajno 35 ml).
Ključni parametri so lastnosti prahu in lastnosti materiala, iz katerega je naprava izdelana. Med tokom se v prahu zaradi triboelektričnega učinka, ki je izmenjava nabojev ob stiku dveh trdnih snovi, ustvarjajo elektrostatični naboji.
Ko prah teče znotraj naprave, se na stiku med delci in na stiku med delci in napravo pojavi triboelektrični učinek.
Ob stiku z izbranim materialom GranuCharge samodejno izmeri količino elektrostatičnega naboja, ki nastane v prahu med tokom. Vzorec prahu teče znotraj vibrirajoče V-cevi in ​​pade v Faradayevo skodelico, povezano z elektrometrom, ki meri naboj, ki se pridobi med premikanjem prahu znotraj V-cevi. Za ponovljive rezultate uporabite vrtljivo ali vibrirajočo napravo za pogosto napajanje V-cevi.
Triboelektrični učinek povzroči, da en predmet na svoji površini pridobi elektrone in se tako negativno nabije, medtem ko drug predmet izgubi elektrone in se tako pozitivno nabije. Nekateri materiali lažje pridobijo elektrone kot drugi, podobno pa tudi drugi materiali lažje izgubljajo elektrone.
Kateri material postane negativen in kateri pozitiven, je odvisno od relativne nagnjenosti zadevnih materialov k pridobivanju ali izgubi elektronov. Za predstavitev teh trendov je bila razvita triboelektrična serija, prikazana v tabeli 1. Navedeni so materiali s trendom pozitivnega naboja in drugi z trendom negativnega naboja, metode materialov, ki ne kažejo nobenega vedenjskega trenda, pa so navedene na sredini tabele.
Po drugi strani pa tabela ponuja le informacije o trendih v obnašanju materialov pri polnjenju, zato je bil GranuCharge ustvarjen za zagotavljanje natančnih numeričnih vrednosti za obnašanje praškov pri polnjenju.
Izvedenih je bilo več poskusov za analizo termičnega razkroja. Vzorci so bili za eno do dve uri postavljeni na 200 °C. Prah je bil nato takoj analiziran z GranuDrum (vroči naziv). Prah je bil nato postavljen v posodo, dokler ni dosegel sobne temperature, nato pa je bil analiziran z GranuDrum, GranuPack in GranuCharge (tj. "hladni").
Surovi vzorci so bili analizirani z uporabo GranuPack, GranuDrum in GranuCharge pri enaki sobni vlažnosti/temperaturi (tj. 35,0 ± 1,5 % relativne vlažnosti in temperaturi 21,0 ± 1,0 °C).
Kohezijski indeks izračunava pretočnost praškov in je povezan s spremembami položaja vmesnika (prašek/zrak), ki ga merijo le tri kontaktne sile (van der Waalsova, kapilarna in elektrostatična sila). Pred poskusom sta bili zabeleženi relativna vlažnost zraka (RH, %) in temperatura (°C). Nato smo prašek vsuli v boben in poskus se je začel.
Ugotovili smo, da ti izdelki niso dovzetni za aglomeracijo, če upoštevamo tiksotropne parametre. Zanimivo je, da je toplotna obremenitev spremenila reološko obnašanje prahov vzorcev A in B od strižnega zgoščevanja do strižnega redčenja. Po drugi strani pa na vzorca C in SS 316L temperatura ni vplivala in sta pokazala le strižno zgoščevanje. Vsak prah je imel po segrevanju in ohlajanju boljšo mazljivost (tj. nižji kohezijski indeks).
Vpliv temperature je odvisen tudi od specifične površine delcev. Višja kot je toplotna prevodnost materiala, večji je vpliv na temperaturo (npr. ???225°?=250?.?-1.?-1) in ???316?. 225°?=19?.?-1.?-1). Manjši kot je delec, večji je vpliv temperature. Praški aluminijevih zlitin so odlični za uporabo pri visokih temperaturah zaradi svoje povečane mazljivosti, tudi ohlajeni vzorci dosegajo boljšo tekočnost kot originalni praški.
Za vsak poskus GranuPack je bila pred vsakim poskusom zabeležena masa prahu, vzorec pa je bil 500-krat udarjen s frekvenco udarca 1 Hz s prostim padom 1 mm v merilni celici (energija udarca ∝). Vzorec je bil doziran v merilno celico v skladu z navodili programske opreme, neodvisne od uporabnika. Nato so bile meritve dvakrat ponovljene, da se je ocenila ponovljivost, in raziskana je bila povprečje in standardni odklon.
Po končani analizi GranuPack so prikazani začetna gostota v razsutem stanju (ρ(0)), končna gostota v razsutem stanju (pri več dotikih, n = 500, tj. ρ(500)), Hausnerjevo razmerje/Carrov indeks (Hr/Cr) in dva registracijska parametra (n1/2 in τ), povezana s kinetiko zbijanja. Prikazana je tudi optimalna gostota ρ(∞) (glej Dodatek 1). Spodnja tabela prestrukturira eksperimentalne podatke.
Sliki 6 in 7 prikazujeta celotno krivuljo zbijanja (gostota v razsutem stanju glede na število udarcev) in razmerje parametrov n1/2/Hausnerjev. Na vsaki krivulji so prikazane stolpce napak, izračunane z uporabo povprečja, standardni odkloni pa so bili izračunani s testiranjem ponovljivosti.
Izdelek iz nerjavečega jekla 316L je bil najtežji izdelek (ρ(0) = 4,554 g/ml). Kar zadeva gostoto ob strganju, ostaja SS 316L najtežji prah (ρ(n) = 5,044 g/ml), sledi vzorec A (ρ(n) = 1,668 g/ml) in vzorec B (ρ(n) = 1,668 g/ml). (n) = 1,645 g/ml). Vzorec C je imel najnižjo gostoto (ρ(n) = 1,581 g/ml). Glede na gostoto začetnega prahu vidimo, da je vzorec A najlažji, in če upoštevamo napake (1,380 g/ml), imata vzorca B in C približno enako vrednost.
Ko se prah segreva, se njegovo Hausnerjevo število zmanjšuje, kar se zgodi le pri vzorcih B, C in SS 316L. Za vzorec A tega ni bilo mogoče izvesti zaradi velikosti stolpcev napak. Za n1/2 je poudarjanje parametričnega trenda bolj zapleteno. Pri vzorcu A in SS 316L se je vrednost n1/2 po 2 urah pri 200 °C zmanjšala, medtem ko se je pri prahovih B in C po toplotni obremenitvi povečala.
Za vsak poskus GranuCharge je bil uporabljen vibracijski podajalnik (glej sliko 8). Uporabljene so bile cevi iz nerjavečega jekla 316L. Meritve so bile ponovljene 3-krat za oceno ponovljivosti. Teža izdelka, uporabljenega za vsako meritev, je bila približno 40 ml in po meritvi ni bilo mogoče zajeti nobenega prahu.
Pred poskusom so zabeležili težo prahu (mp, g), relativno vlažnost zraka (RH, %) in temperaturo (°C). Na začetku poskusa so izmerili gostoto naboja primarnega prahu (q0 v µC/kg) tako, da so prah namestili v Faradayevo skodelico. Na koncu so določili maso prahu in izračunali končno gostoto naboja (qf, µC/kg) ter Δq (Δq = qf – q0) na koncu poskusa.
Neobdelani podatki GranuCharge so prikazani v tabeli 2 in na sliki 9 (σ je standardni odklon, izračunan iz rezultatov testa ponovljivosti), rezultati pa so prikazani kot histogram (prikazana sta samo q0 in Δq). SS 316L ima najnižji začetni naboj; to je lahko posledica dejstva, da ima ta izdelek najvišji PSD. Glede začetnega naboja prahu primarne aluminijeve zlitine zaradi velikosti napak ni mogoče sklepati.
Po stiku s cevjo iz nerjavečega jekla 316L je vzorec A prejel najmanj naboja, medtem ko sta prahova B in C pokazala podoben trend. Če smo prah SS 316L podrgnili ob SS 316L, smo ugotovili gostoto naboja blizu 0 (glej triboelektrično serijo). Produkt B je še vedno bolj nabit kot A. Pri vzorcu C se trend nadaljuje (pozitiven začetni naboj in končni naboj po puščanju), vendar se število nabojev po toplotni razgradnji poveča.
Po dveh urah termične obremenitve pri 200 °C postane obnašanje prahu zelo zanimivo. V vzorcih A in B se je začetni naboj zmanjšal, končni naboj pa se je premaknil iz negativnega v pozitivnega. Prah SS 316L je imel najvišji začetni naboj, njegova sprememba gostote naboja pa je postala pozitivna, vendar je ostala nizka (tj. 0,033 nC/g).
Raziskali smo vpliv toplotne razgradnje na kombinirano obnašanje prahov aluminijeve zlitine (AlSi10Mg) in nerjavečega jekla 316L, medtem ko smo originalne prahove analizirali po 2 urah pri 200 °C na zraku.
Uporaba praškov pri povišanih temperaturah lahko izboljša pretočnost izdelka, kar je učinek, ki je pomembnejši za praške z visoko specifično površino in materiale z visoko toplotno prevodnostjo. Za oceno pretoka je bil uporabljen GranuDrum, za dinamično analizo pakiranja GranuPack, za analizo triboelektričnosti praška v stiku s cevjo iz nerjavečega jekla 316L pa GranuCharge.
Ti rezultati so bili določeni z uporabo programa GranuPack, ki je pokazal izboljšanje Hausnerjevega koeficienta za vsak prašek (z izjemo vzorca A zaradi velikosti napak) po postopku toplotne obremenitve. Za parameter pakiranja (n1/2) ni bilo ugotovljenega jasnega trenda, saj so nekateri izdelki pokazali povečanje hitrosti pakiranja, drugi pa kontrastni učinek (npr. vzorca B in C).