Chúng tôi sử dụng cookie để cải thiện trải nghiệm của bạn. Bằng cách tiếp tục duyệt trang web này, bạn đồng ý với việc chúng tôi sử dụng cookie. Thông tin bổ sung.
Sản xuất bồi đắp (AM) liên quan đến việc tạo ra các vật thể 3D, mỗi lần một lớp cực mỏng, khiến nó đắt hơn so với chế biến truyền thống. Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ bột được hàn vào thành phần trong quá trình lắp ráp. Phần còn lại không nóng chảy, vì vậy chúng có thể được tái sử dụng. Ngược lại, nếu vật thể được tạo ra theo cách cổ điển, nó thường đòi hỏi phải phay và gia công để loại bỏ vật liệu.
Các đặc tính của bột quyết định các thông số của máy và phải được tính đến ngay từ đầu. Chi phí của AM sẽ không kinh tế vì bột chưa tan chảy bị ô nhiễm và không thể tái chế. Sự phân hủy bột dẫn đến hai hiện tượng: biến đổi hóa học của sản phẩm và thay đổi các đặc tính cơ học như hình thái và phân bố kích thước hạt.
Trong trường hợp đầu tiên, nhiệm vụ chính là tạo ra các cấu trúc rắn chứa hợp kim tinh khiết, vì vậy chúng ta cần tránh nhiễm bẩn bột, ví dụ, với oxit hoặc nitrua. Trong hiện tượng sau, các thông số này liên quan đến tính lưu động và khả năng lan truyền. Do đó, bất kỳ thay đổi nào về tính chất của bột đều có thể dẫn đến sự phân phối không đồng đều của sản phẩm.
Dữ liệu từ các ấn phẩm gần đây cho thấy lưu lượng kế cổ điển không thể cung cấp thông tin đầy đủ về sự phân bố bột trong AM dựa trên lớp bột. Về đặc tính của nguyên liệu thô (hoặc bột), có một số phương pháp đo lường có liên quan trên thị trường có thể đáp ứng yêu cầu này. Trạng thái ứng suất và trường dòng bột phải giống nhau trong thiết lập đo lường và trong quá trình. Sự hiện diện của tải nén không tương thích với dòng chảy bề mặt tự do được sử dụng trong các thiết bị IM trong máy thử cắt và máy đo lưu biến cổ điển.
GranuTools đã phát triển một quy trình làm việc để mô tả bột AM. Mục tiêu chính của chúng tôi là trang bị cho mỗi hình học một công cụ mô phỏng quy trình chính xác và quy trình làm việc này được sử dụng để hiểu và theo dõi sự tiến triển của chất lượng bột trong nhiều quy trình in khác nhau. Một số hợp kim nhôm tiêu chuẩn (AlSi10Mg) đã được chọn cho các khoảng thời gian khác nhau ở các tải nhiệt khác nhau (từ 100 đến 200 °C).
Sự phân hủy nhiệt có thể được kiểm soát bằng cách phân tích khả năng tích tụ điện tích của bột. Các loại bột được phân tích về độ chảy (thiết bị GranuDrum), động học đóng gói (thiết bị GranuPack) và hành vi tĩnh điện (thiết bị GranuCharge). Các phép đo động học kết dính và đóng gói phù hợp để theo dõi chất lượng bột.
Các loại bột dễ thi công sẽ có chỉ số kết dính thấp, trong khi các loại bột có khả năng điền đầy nhanh sẽ tạo ra các bộ phận cơ học có độ xốp thấp hơn so với các sản phẩm khó điền đầy hơn.
Sau nhiều tháng lưu trữ trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, ba loại bột hợp kim nhôm có phân bố kích thước hạt khác nhau (AlSi10Mg) và một mẫu thép không gỉ 316L đã được chọn, ở đây được gọi là các mẫu A, B và C. Các đặc tính của các mẫu có thể khác với các nhà sản xuất khác. Phân bố kích thước hạt của mẫu được đo bằng phân tích nhiễu xạ laser/ISO 13320.
Vì chúng kiểm soát các thông số của máy, nên các đặc tính của bột phải được xem xét trước tiên, và nếu bột chưa tan chảy được coi là bị ô nhiễm và không thể tái chế, thì sản xuất bồi đắp không kinh tế như người ta mong đợi. Do đó, ba thông số sẽ được nghiên cứu: dòng chảy bột, động lực đóng gói và tĩnh điện.
Khả năng trải liên quan đến tính đồng đều và “mịn” của lớp bột sau khi phủ lại. Điều này rất quan trọng vì bề mặt nhẵn dễ in hơn và có thể kiểm tra bằng công cụ GranuDrum với phép đo chỉ số bám dính.
Vì lỗ rỗng là điểm yếu trong vật liệu, chúng có thể dẫn đến nứt. Động lực điền đầy là thông số quan trọng thứ hai vì bột điền đầy nhanh cung cấp độ xốp thấp. Hành vi này được đo bằng GranuPack với giá trị n1/2.
Sự hiện diện của điện tích trong bột tạo ra lực kết dính dẫn đến sự hình thành các khối kết tụ. GranuCharge đo khả năng của bột tạo ra điện tích tĩnh điện khi tiếp xúc với các vật liệu được chọn trong quá trình chảy.
Trong quá trình xử lý, GranuCharge có thể dự đoán sự suy giảm của dòng chảy, ví dụ, khi hình thành một lớp trong AM. Do đó, các phép đo thu được rất nhạy cảm với trạng thái của bề mặt hạt (oxy hóa, nhiễm bẩn và độ nhám). Sau đó, có thể định lượng chính xác quá trình lão hóa của bột thu hồi được (±0,5 nC).
GranuDrum là phương pháp đo lưu lượng bột được lập trình dựa trên nguyên lý trống quay. Một nửa mẫu bột được chứa trong một xi lanh nằm ngang có thành bên trong suốt. Trống quay quanh trục của nó với tốc độ góc từ 2 đến 60 vòng/phút và camera CCD chụp ảnh (từ 30 đến 100 hình ảnh với khoảng thời gian 1 giây). Giao diện không khí/bột được xác định trên mỗi hình ảnh bằng thuật toán phát hiện cạnh.
Tính toán vị trí trung bình của giao diện và dao động xung quanh vị trí trung bình này. Đối với mỗi tốc độ quay, góc dòng chảy (hoặc “góc nghỉ động”) αf được tính toán từ vị trí giao diện trung bình và hệ số kết dính động σf liên quan đến liên kết giữa các hạt được phân tích từ các dao động giao diện.
Góc dòng chảy bị ảnh hưởng bởi một số thông số: ma sát, hình dạng và lực kết dính giữa các hạt (lực van der Waals, lực tĩnh điện và lực mao dẫn). Bột kết dính tạo ra dòng chảy không liên tục, trong khi bột không nhớt tạo ra dòng chảy đều đặn. Các giá trị thấp của góc dòng chảy αf tương ứng với dòng chảy tốt. Chỉ số bám dính động gần bằng không tương ứng với bột không kết dính, do đó khi độ bám dính của bột tăng lên, chỉ số bám dính cũng tăng theo.
GranuDrum cho phép bạn đo góc đầu tiên của tuyết lở và độ sục khí của bột trong quá trình chảy, cũng như đo chỉ số bám dính σf và góc dòng chảy αf tùy thuộc vào tốc độ quay.
Các phép đo tỷ trọng khối, tỷ trọng khai thác và tỷ lệ Hausner (còn được gọi là "thử nghiệm khai thác") của GranuPack lý tưởng cho việc xác định đặc tính bột do chúng dễ dàng và nhanh chóng trong việc đo lường. Tỷ trọng của bột và khả năng tăng tỷ trọng của bột là các thông số quan trọng trong quá trình lưu trữ, vận chuyển, kết tụ, v.v. Các quy trình được khuyến nghị được nêu trong Dược điển.
Bài kiểm tra đơn giản này có ba nhược điểm chính. Phép đo phụ thuộc vào người vận hành và phương pháp đổ ảnh hưởng đến thể tích ban đầu của bột. Đo thể tích tổng thể có thể dẫn đến sai số nghiêm trọng trong kết quả. Do tính đơn giản của thí nghiệm, chúng tôi đã không tính đến động lực nén giữa phép đo ban đầu và phép đo cuối cùng.
Hành vi của bột được đưa vào đầu ra liên tục được phân tích bằng thiết bị tự động. Đo chính xác hệ số Hausner Hr, mật độ ban đầu ρ(0) và mật độ cuối cùng ρ(n) sau n lần nhấp.
Số lượng vòi thường được cố định ở n=500. GranuPack là phép đo mật độ vòi tự động và tiên tiến dựa trên nghiên cứu động lực học gần đây.
Có thể sử dụng các chỉ số khác, nhưng chúng không được cung cấp ở đây. Bột được đưa vào ống kim loại thông qua quy trình khởi tạo tự động nghiêm ngặt. Việc ngoại suy tham số động n1/2 và mật độ tối đa ρ(∞) đã được loại bỏ khỏi đường cong nén chặt.
Một xi lanh rỗng nhẹ nằm trên lớp bột để giữ cho giao diện bột/không khí ở mức cân bằng trong quá trình nén chặt. Ống chứa mẫu bột nâng lên độ cao cố định ΔZ và rơi tự do ở độ cao thường cố định tại ΔZ = 1 mm hoặc ΔZ = 3 mm, được đo tự động sau mỗi lần chạm. Tính thể tích V của đống từ độ cao.
Mật độ là tỷ số giữa khối lượng m và thể tích của lớp bột V. Khối lượng của bột m được biết, mật độ ρ được áp dụng sau mỗi lần va chạm.
Hệ số Hausner Hr liên quan đến hệ số nén và được phân tích theo phương trình Hr = ρ(500) / ρ(0), trong đó ρ(0) là khối lượng riêng ban đầu và ρ(500) là lưu lượng tính toán sau 500 chu kỳ. Vòi mật độ. Khi sử dụng phương pháp GranuPack, kết quả có thể tái tạo được khi sử dụng một lượng nhỏ bột (thường là 35 ml).
Các đặc tính của bột và đặc tính của vật liệu mà thiết bị được tạo ra là các thông số chính. Trong quá trình chảy, các điện tích tĩnh điện được tạo ra bên trong bột do hiệu ứng điện ma sát, là sự trao đổi điện tích khi hai chất rắn tiếp xúc.
Khi bột chảy bên trong thiết bị, hiệu ứng điện ma sát xảy ra tại điểm tiếp xúc giữa các hạt và tại điểm tiếp xúc giữa các hạt với thiết bị.
Khi tiếp xúc với vật liệu đã chọn, GranuCharge tự động đo lượng điện tích tĩnh điện được tạo ra bên trong bột trong quá trình chảy. Mẫu bột chảy bên trong ống chữ V rung và rơi vào cốc Faraday được kết nối với một điện kế đo điện tích thu được khi bột di chuyển bên trong ống chữ V. Để có kết quả có thể tái tạo, hãy sử dụng thiết bị quay hoặc rung để nạp ống chữ V thường xuyên.
Hiệu ứng điện ma sát khiến một vật thể thu được electron trên bề mặt của nó và do đó trở thành tích điện âm, trong khi một vật thể khác mất electron và do đó trở thành tích điện dương. Một số vật liệu thu được electron dễ dàng hơn những vật liệu khác và tương tự như vậy, những vật liệu khác cũng dễ mất electron hơn.
Vật liệu nào trở thành âm và vật liệu nào trở thành dương phụ thuộc vào xu hướng tương đối của các vật liệu liên quan đến việc thu hoặc mất electron. Để biểu diễn các xu hướng này, chuỗi triboelectric được thể hiện trong Bảng 1 đã được phát triển. Các vật liệu có xu hướng tích điện dương và các vật liệu khác có xu hướng tích điện âm được liệt kê và các phương pháp vật liệu không cho thấy bất kỳ xu hướng hành vi nào được liệt kê ở giữa bảng.
Mặt khác, bảng chỉ cung cấp thông tin về xu hướng trong hành vi tích điện của vật liệu, do đó GranuCharge được tạo ra để cung cấp các giá trị số chính xác cho hành vi tích điện của bột.
Một số thí nghiệm đã được tiến hành để phân tích quá trình phân hủy nhiệt. Các mẫu được đặt ở 200°C trong một đến hai giờ. Sau đó, bột được phân tích ngay lập tức bằng GranuDrum (tên nóng). Sau đó, bột được đặt trong một thùng chứa cho đến khi đạt đến nhiệt độ môi trường xung quanh và sau đó được phân tích bằng GranuDrum, GranuPack và GranuCharge (tức là “lạnh”).
Các mẫu thô được phân tích bằng GranuPack, GranuDrum và GranuCharge ở cùng độ ẩm/nhiệt độ phòng (tức là 35,0 ± 1,5% RH và nhiệt độ 21,0 ± 1,0 °C).
Chỉ số kết dính tính toán khả năng chảy của bột và tương quan với những thay đổi về vị trí của giao diện (bột/không khí), chỉ có ba lực tiếp xúc (lực van der Waals, lực mao dẫn và lực tĩnh điện). Trước khi tiến hành thí nghiệm, độ ẩm không khí tương đối (RH, %) và nhiệt độ (°C) đã được ghi lại. Sau đó, bột được đổ vào trống và thí nghiệm bắt đầu.
Chúng tôi kết luận rằng các sản phẩm này không dễ bị kết tụ khi xem xét các thông số về độ nhớt. Điều thú vị là ứng suất nhiệt đã thay đổi hành vi lưu biến của bột mẫu A và B từ quá trình làm đặc do cắt sang quá trình làm mỏng do cắt. Mặt khác, Mẫu C và SS 316L không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và chỉ cho thấy quá trình làm đặc do cắt. Mỗi loại bột có khả năng lan truyền tốt hơn (tức là chỉ số kết dính thấp hơn) sau khi đun nóng và làm nguội.
Hiệu ứng nhiệt độ cũng phụ thuộc vào diện tích cụ thể của các hạt. Độ dẫn nhiệt của vật liệu càng cao thì hiệu ứng nhiệt độ càng lớn (tức là ???225°?=250?.?-1.?-1) và ???316?. 225°?=19?.?-1.?-1) Hạt càng nhỏ thì hiệu ứng nhiệt độ càng lớn. Bột hợp kim nhôm rất tốt cho các ứng dụng nhiệt độ cao do khả năng lan truyền tăng lên và ngay cả các mẫu đã làm mát cũng đạt được độ chảy tốt hơn so với bột ban đầu.
Đối với mỗi thí nghiệm GranuPack, khối lượng bột được ghi lại trước mỗi thí nghiệm và mẫu được đập 500 lần với tần số va chạm là 1 Hz với độ rơi tự do là 1 mm trong ô đo (năng lượng va chạm ∝). Mẫu được phân phối vào ô đo theo hướng dẫn phần mềm độc lập với người dùng. Sau đó, các phép đo được lặp lại hai lần để đánh giá khả năng tái tạo và nghiên cứu giá trị trung bình và độ lệch chuẩn.
Sau khi phân tích GranuPack hoàn tất, khối lượng riêng ban đầu (ρ(0)), khối lượng riêng cuối cùng (tại nhiều vòi, n = 500, tức là ρ(500)), tỷ lệ Hausner/chỉ số Carr (Hr/Cr) và hai tham số đăng ký (n1/2 và τ) liên quan đến động học nén chặt. Mật độ tối ưu ρ(∞) cũng được hiển thị (xem Phụ lục 1). Bảng bên dưới tái cấu trúc dữ liệu thực nghiệm.
Hình 6 và 7 cho thấy đường cong nén tổng thể (mật độ khối so với số lần va chạm) và tỷ lệ tham số n1/2/Hausner. Các thanh lỗi được tính toán bằng cách sử dụng giá trị trung bình được hiển thị trên mỗi đường cong và độ lệch chuẩn được tính toán bằng thử nghiệm khả năng lặp lại.
Sản phẩm thép không gỉ 316L là sản phẩm nặng nhất (ρ(0) = 4,554 g/mL). Về mật độ khai thác, SS 316L vẫn là loại bột nặng nhất (ρ(n) = 5,044 g/mL), tiếp theo là Mẫu A (ρ(n) = 1,668 g/mL), tiếp theo là Mẫu B (ρ(n) = 1,668 g/ml). /ml) (n) = 1,645 g/ml). Mẫu C là thấp nhất (ρ(n) = 1,581 g/mL). Theo khối lượng riêng của bột ban đầu, ta thấy mẫu A là nhẹ nhất, và khi tính đến sai số (1,380 g/ml), thì mẫu B và C có giá trị gần bằng nhau.
Khi bột được nung nóng, tỷ lệ Hausner của nó giảm và điều này chỉ xảy ra với các mẫu B, C và SS 316L. Đối với mẫu A, không thể thực hiện được do kích thước của các thanh lỗi. Đối với n1/2, xu hướng tham số gạch chân phức tạp hơn. Đối với mẫu A và SS 316L, giá trị n1/2 giảm sau 2 giờ ở 200°C, trong khi đối với bột B và C, giá trị n1/2 tăng sau khi tải nhiệt.
Một máy nạp rung được sử dụng cho mỗi thí nghiệm GranuCharge (xem Hình 8). Sử dụng ống thép không gỉ 316L. Các phép đo được lặp lại 3 lần để đánh giá khả năng tái tạo. Trọng lượng sản phẩm được sử dụng cho mỗi phép đo là khoảng 40 ml và không thu hồi được bột sau khi đo.
Trước khi tiến hành thí nghiệm, trọng lượng của bột (mp, g), độ ẩm không khí tương đối (RH, %) và nhiệt độ (°C) đã được ghi lại. Khi bắt đầu thử nghiệm, mật độ điện tích của bột chính (q0 tính bằng µC/kg) đã được đo bằng cách đặt bột vào cốc Faraday. Cuối cùng, khối lượng bột đã được cố định và mật độ điện tích cuối cùng (qf, µC/kg) và Δq (Δq = qf – q0) khi kết thúc thí nghiệm đã được tính toán.
Dữ liệu GranuCharge thô được hiển thị trong Bảng 2 và Hình 9 (σ là độ lệch chuẩn được tính toán từ kết quả của thử nghiệm khả năng tái tạo) và kết quả được hiển thị dưới dạng biểu đồ (chỉ hiển thị q0 và Δq). SS 316L có điện tích ban đầu thấp nhất; điều này có thể là do sản phẩm này có PSD cao nhất. Khi nói đến việc tải ban đầu bột hợp kim nhôm nguyên chất, không thể đưa ra kết luận nào do kích thước của các lỗi.
Sau khi tiếp xúc với ống thép không gỉ 316L, mẫu A nhận được lượng điện tích ít nhất, trong khi bột B và C cho thấy xu hướng tương tự, nếu bột SS 316L được cọ xát vào SS 316L, mật độ điện tích gần bằng 0 đã được tìm thấy (xem chuỗi điện ma sát). Sản phẩm B vẫn tích điện nhiều hơn A. Đối với mẫu C, xu hướng vẫn tiếp tục (điện tích ban đầu dương và điện tích cuối cùng sau khi rò rỉ), nhưng số lượng điện tích tăng lên sau khi phân hủy nhiệt.
Sau 2 giờ chịu ứng suất nhiệt ở 200 °C, hành vi của bột trở nên rất thú vị. Trong các mẫu A và B, điện tích ban đầu giảm và điện tích cuối cùng chuyển từ âm sang dương. Bột SS 316L có điện tích ban đầu cao nhất và mật độ điện tích thay đổi thành dương nhưng vẫn ở mức thấp (tức là 0,033 nC/g).
Chúng tôi đã nghiên cứu tác động của quá trình phân hủy nhiệt lên hành vi kết hợp của bột hợp kim nhôm (AlSi10Mg) và bột thép không gỉ 316L, trong khi bột ban đầu được phân tích sau 2 giờ ở nhiệt độ 200°C trong không khí.
Việc sử dụng bột ở nhiệt độ cao có thể cải thiện khả năng chảy của sản phẩm, một hiệu ứng có vẻ quan trọng hơn đối với bột có diện tích riêng cao và vật liệu có độ dẫn nhiệt cao. GranuDrum được sử dụng để đánh giá dòng chảy, GranuPack được sử dụng để phân tích đóng gói động và GranuCharge được sử dụng để phân tích tính ma sát điện của bột tiếp xúc với ống thép không gỉ 316L.
Những kết quả này được xác định bằng cách sử dụng GranuPack, cho thấy sự cải thiện trong hệ số Hausner cho mỗi loại bột (trừ mẫu A, do kích thước của các lỗi) sau quá trình ứng suất nhiệt. Không tìm thấy xu hướng rõ ràng nào cho tham số đóng gói (n1/2) vì một số sản phẩm cho thấy sự gia tăng tốc độ đóng gói trong khi những sản phẩm khác có hiệu ứng tương phản (ví dụ: Mẫu B và C).