פירוק תרמי של אבקות מתכת לייצור תוסף: השפעות על יכולת הפיזור, דינמיקת האריזה והאלקטרוסטטיקה

אנו משתמשים בעוגיות כדי לשפר את החוויה שלך.על ידי המשך הגלישה באתר זה, אתה מסכים לשימוש שלנו בעוגיות.מידע נוסף.
ייצור תוסף (AM) כולל יצירת אובייקטים תלת מימדיים, שכבה אחת דקה במיוחד בכל פעם, מה שהופך אותו ליקר יותר מעיבוד שבבי מסורתי.עם זאת, רק חלק קטן מהאבקה המופקדת במהלך תהליך ההרכבה מולחם לתוך הרכיב.השאר אז לא נמס, אז ניתן לעשות בו שימוש חוזר.לעומת זאת, אם האובייקט נוצר בצורה קלאסית, לרוב נדרשת הסרת חומר על ידי כרסום ועיבוד שבבי.
מאפייני האבקה קובעים את הפרמטרים של המכונה ויש להתייחס אליהם תחילה.העלות של AM תהיה לא חסכונית בהתחשב בכך שהאבקה הלא מומסת מזוהמת ואינה ניתנת למחזור.פגיעה באבקות גורמת 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, ולכן עלינו להימנע מזיהום האבקה, למשל, עם תחמוצות או ניטרידים.במקרה האחרון, פרמטרים אלה קשורים לנזילות ולפיזור.לכן כל שינוי בתכונות האבקה יכול להוביל לפיזור לא אחיד של המוצר.
נתונים מפרסומים עדכניים מצביעים על כך שמדי זרימה קלאסיים אינם יכולים לספק מידע הולם על יכולת זרימת אבקה בייצור של תוספים למיטת אבקה.לגבי אפיון חומרי גלם (או אבקות), קיימות בשוק מספר שיטות מדידה מתאימות שיכולות לעמוד בדרישה זו.מצב הלחץ ושדה זרימת האבקה חייבים להיות זהים בתא המדידה ובתהליך.הנוכחות של עומסי דחיסה אינה תואמת את זרימת השטח החופשית המשמשת בהתקני AM בבודקי תאי גזירה ובריאומטרים קלאסיים.
GranuTools פיתחה זרימות עבודה לאפיון אבקה בייצור תוסף.המטרה העיקרית שלנו הייתה לקבל כלי אחד לכל גיאומטריה למידול תהליכים מדויק, וזרימת עבודה זו שימשה כדי להבין ולעקוב אחר ההתפתחות של איכות האבקה על פני מספר מעברי הדפסה.מספר סגסוגות אלומיניום סטנדרטיות (AlSi10Mg) נבחרו לתקופות שונות בעומסים תרמיים שונים (מ-100 עד 200 מעלות צלזיוס).
ניתן לשלוט על פירוק תרמי על ידי ניתוח יכולת האבקה לאחסן מטען.האבקות נותחו עבור יכולת זרימה (מכשיר GranuDrum), קינטיקה של אריזה (מכשיר GranuPack) והתנהגות אלקטרוסטטית (מכשיר GranuCharge).מדידות קינטיקה של לכידות ואריזה זמינות עבור מסות האבקה הבאות.
אבקות שמתפשטות בקלות יחוו אינדקס לכידות נמוך, בעוד שאבקות עם דינמיקת מילוי מהירה ייצרו חלקים מכניים עם פחות נקבוביות בהשוואה למוצרים שקשה יותר למילוי.
נבחרו שלוש אבקות מסגסוגת אלומיניום (AlSi10Mg) המאוחסנות במעבדה שלנו במשך מספר חודשים, עם התפלגות גודל חלקיקים שונה, ודגימת נירוסטה אחת של 316L, המכונה כאן דגימות A, B ו-C.המאפיינים של הדגימות עשויים להיות שונים מאחרים.יצרנים.התפלגות גודל חלקיקי המדגם נמדדה על ידי ניתוח עקיפה בלייזר/ISO 13320.
מכיוון שהם שולטים בפרמטרים של המכונה, יש להתייחס תחילה לתכונות האבקה, ואם ניקח בחשבון את האבקה הלא מומסת כמזוהמת ובלתי ניתנת למיחזור, עלות הייצור התוסף לא תהיה חסכונית כפי שהיינו רוצים.לכן ייבדקו שלושה פרמטרים: זרימת אבקה, קינטיקה של אריזה ואלקטרוסטטיקה.
יכולת המריחה קשורה לאחידות ול"חלקות" של שכבת האבקה לאחר פעולת הציפוי מחדש.זה חשוב מאוד מכיוון שקל יותר להדפיס משטחים חלקים וניתן לבחון אותם עם הכלי GranuDrum עם מדידת אינדקס הידבקות.
מכיוון שנקבוביות הן נקודות תורפה בחומר, הן עלולות להוביל לסדקים.דינמיקת אריזה היא הפרמטר הקריטי השני מכיוון שלאבקות אריזה מהירה יש נקבוביות נמוכה.התנהגות זו נמדדה עם GranuPack עם ערך של n1/2.
נוכחות של מטען חשמלי באבקה יוצרת כוחות מלוכדים המובילים להיווצרות אגלומרטים.GranuCharge מודד את היכולת של אבקה ליצור מטען אלקטרוסטטי במגע עם חומר נבחר במהלך הזרימה.
במהלך העיבוד, GranuCharge יכול לחזות הידרדרות זרימה, כגון היווצרות שכבה ב-AM.לפיכך, המדידות המתקבלות רגישות מאוד למצב משטח התבואה (חמצון, זיהום וחספוס).לאחר מכן ניתן לכמת במדויק את ההזדקנות של האבקה המשוחזרת (±0.5 nC).
ה-GranuDrum מבוסס על עיקרון של תוף מסתובב והוא שיטה מתוכנתת למדידת יכולת הזרימה של אבקה.גליל אופקי עם דפנות צד שקופות מכיל מחצית מדגימת האבקה.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 קצוות.
חשב את המיקום הממוצע של הממשק ואת התנודות סביב המיקום הממוצע הזה.עבור כל מהירות סיבוב, זווית הזרימה (או "זווית המנוחה הדינמית") αf מחושבת ממיקום הממשק הממוצע, ואינדקס ההיצמדות הדינמי σf, המתייחס לחיבור בין חלקיקים, מנותח מתנודות הממשק.
זווית הזרימה מושפעת ממספר פרמטרים: חיכוך בין חלקיקים, צורה ולכידות (ואן דר ואלס, כוחות אלקטרוסטטיים וקפילריים).אבקות מלוכדות גורמות לזרימה לסירוגין, בעוד שאבקות לא מלוכדות גורמות לזרימה סדירה.ערכים קטנים יותר של זווית הזרימה αf תואמים לתכונות זרימה טובות.מדד הידבקות דינמי קרוב לאפס מתאים לאבקה לא מלוכדת, לכן, ככל שההידבקות של האבקה עולה, מדד ההידבקות גדל בהתאם.
GranuDrum מאפשר לך למדוד את זווית המפולת הראשונה ואוורור האבקה במהלך הזרימה, כמו גם למדוד את מדד ההידבקות σf ואת זווית הזרימה αf בהתאם למהירות הסיבוב.
מדידות צפיפות צבר GranuPack, צפיפות הקשה ומדידות יחס האוזנר (הנקראות גם "מבחני מגע") פופולריות מאוד באפיון אבקה בגלל הקלות ומהירות המדידה.צפיפות האבקה והיכולת להגביר את צפיפותה הם פרמטרים חשובים במהלך אחסון, שינוע, צבירה וכו'. ההליך המומלץ מתואר בפרמקופאה.
לבדיקה הפשוטה הזו יש שלושה חסרונות עיקריים.המדידות תלויות במפעיל ושיטת המילוי משפיעה על נפח האבקה הראשוני.מדידות חזותיות של נפח עלולות להוביל לשגיאות חמורות בתוצאות.בשל פשטות הניסוי, הזנחנו את דינמיקת הדחיסה בין הממד הראשוני והסופי.
התנהגות האבקה המוזנת לשקע הרציף נותחה באמצעות ציוד אוטומטי.מדוד במדויק את מקדם האוזנר Hr, צפיפות ראשונית ρ(0) וצפיפות סופית ρ(n) לאחר n קליקים.
מספר הברזים קבוע בדרך כלל ל-n=500.ה-GranuPack הוא מדידת צפיפות הקשה אוטומטית ומתקדמת המבוססת על המחקר הדינמי העדכני ביותר.
ניתן להשתמש באינדקסים אחרים, אך הם אינם מופיעים כאן.האבקה מונחת בצינורות מתכת ועוברת תהליך אתחול אוטומטי קפדני.האקסטרפולציה של הפרמטר הדינמי n1/2 והצפיפות המקסימלית ρ(∞) נלקחת מעקומת הדחיסה.
צילינדר חלול קל משקל יושב על גבי מיטת האבקה כדי לשמור על רמת ממשק האבקה/אוויר במהלך הדחיסה.הצינור המכיל את דגימת האבקה עולה לגובה קבוע ∆Z ולאחר מכן נופל בחופשיות לגובה, קבוע בדרך כלל ב- ∆Z = 1 מ"מ או ∆Z = 3 מ"מ, הנמדד אוטומטית לאחר כל פגיעה.לפי גובה, אתה יכול לחשב את נפח V של הערימה.
צפיפות היא היחס בין המסה m לנפח V של שכבת האבקה.מסת האבקה m ידועה, הצפיפות ρ מיושמת לאחר כל שחרור.
מקדם האוזנר Hr קשור לקצב הדחיסה והוא מנותח על ידי המשוואה Hr = ρ(500) / ρ(0), כאשר ρ(0) היא צפיפות הצבר ההתחלתית ו-ρ(500) היא צפיפות הברז המחושבת לאחר 500 ברזים.ניתן לשחזר את התוצאות עם כמות קטנה של אבקה (בדרך כלל 35 מ"ל) בשיטת GranuPack.
תכונות האבקה ואופי החומר ממנו עשוי המכשיר הם פרמטרים מרכזיים.במהלך הזרימה נוצרים מטענים אלקטרוסטטיים בתוך האבקה, ומטענים אלו נגרמים מהאפקט הטריבו-אלקטרי, חילופי המטענים כאשר שני מוצקים באים במגע.
כאשר האבקה זורמת בתוך המכשיר, מתרחשות השפעות טריבו-אלקטריות במגע בין החלקיקים ובמגע בין החלקיק למכשיר.
במגע עם החומר הנבחר, ה-GranuCharge מודד אוטומטית את כמות המטען האלקטרוסטטי שנוצר בתוך האבקה במהלך הזרימה.דגימה של האבקה זורמת בצינור V רוטט ונופלת לתוך כוס פאראדיי המחוברת לאלקטרומטר שמודד את המטען שהאבקה רוכשת בזמן שהיא נעה דרך צינור ה-V.לקבלת תוצאות שניתן לשחזר, הזינו את צינור ה-V לעתים קרובות עם מכשיר מסתובב או רוטט.
האפקט הטריבו-אלקטרי גורם לאובייקט אחד לצבור אלקטרונים על פני השטח שלו וכך להיות מטען שלילי, בעוד שעצם אחר מאבד אלקטרונים ולכן הוא טעון חיובי.חומרים מסוימים מקבלים אלקטרונים בקלות רבה יותר מאחרים, ובאופן דומה, חומרים אחרים מאבדים אלקטרונים בקלות רבה יותר.
איזה חומר הופך לשלילי ואיזה הופך לחיובי תלוי בנטייה היחסית של החומרים המעורבים לצבור או לאבד אלקטרונים.כדי לייצג מגמות אלה, פותחה הסדרה הטריבו-אלקטרית המוצגת בטבלה 1.חומרים הנוטים לטעון חיובי ואחרים שנוטים לטעון שלילי רשומים, בעוד חומרים שאינם מפגינים נטיות התנהגותיות רשומים באמצע הטבלה.
מצד שני, טבלה זו מספקת רק מידע על מגמת התנהגות מטען החומר, ולכן GranuCharge נוצרה כדי לספק ערכים מדויקים להתנהגות טעינת אבקה.
בוצעו מספר ניסויים לניתוח פירוק תרמי.הדגימות הושארו ב-200 מעלות צלזיוס למשך שעה עד שעתיים.לאחר מכן האבקה מנותחת מיד עם GranuDrum (שם תרמי).לאחר מכן, האבקה מונחת במיכל עד שהיא מגיעה לטמפרטורת הסביבה ולאחר מכן מנותחת באמצעות GranuDrum, GranuPack ו- GranuCharge (כלומר "קרה").
דגימות גולמיות נותחו באמצעות GranuPack, GranuDrum ו- GranuCharge באותה לחות/טמפרטורת חדר, כלומר לחות יחסית 35.0 ± 1.5% וטמפרטורה 21.0 ± 1.0 מעלות צלזיוס.
מדד הלכידות מחשב את יכולת הזרימה של אבקה ומתאם לשינויים במיקום הממשק (אבקה/אוויר), המשקפים שלושה כוחות מגע בלבד (ואן דר ואלס, נימי ואלקטרוסטטי).לפני הניסוי, רשום את הלחות היחסית (RH,%) והטמפרטורה (°C).לאחר מכן יוצקים את האבקה לתוך מיכל התוף ומתחילים בניסוי.
הגענו למסקנה שמוצרים אלה אינם רגישים לעוגה כאשר בוחנים פרמטרים תיקסטרופיים.באופן מעניין, מתח תרמי שינה את ההתנהגות הראוולוגית 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.כל אבקה הראתה יכולת מריחה טובה יותר (כלומר מדד לכידות נמוך יותר) לאחר חימום וקירור.
השפעת הטמפרטורה תלויה גם בשטח הפנים הספציפי של החלקיקים.ככל שהמוליכות התרמית של החומר גדולה יותר, כך ההשפעה על הטמפרטורה גדולה יותר (כלומר ???225°?=250?.?-1.?-1) ו-?316?225°?=19?.?-1.?-1), ככל שהחלקיקים קטנים יותר, כך השפעת הטמפרטורה חשובה יותר.עבודה בטמפרטורות גבוהות היא בחירה טובה עבור אבקות מסגסוגת אלומיניום בשל יכולת הפיזור המוגברת שלהן, ודגימות מקוררות משיגות יכולת זרימה טובה עוד יותר בהשוואה לאבקות בתוליות.
עבור כל ניסוי GranuPack, משקל האבקה נרשם לפני כל ניסוי, והדגימה הייתה נתונה ל-500 פגיעות בתדירות השפעה של 1 הרץ עם נפילה חופשית של תא המדידה של 1 מ"מ (אנרגיית השפעה ∝).דגימות מחולקות לתאי המדידה לפי הוראות תוכנה ללא תלות במשתמש.לאחר מכן חזרו על המדידות פעמיים כדי להעריך את יכולת השחזור ולבחון את הממוצע ואת סטיית התקן.
לאחר השלמת ניתוח GranuPack, נרשמו צפיפות אריזה ראשונית (ρ(0)), צפיפות אריזה סופית (במספר קליקים, n = 500, כלומר ρ(500)), יחס האוזנר/Carr (Hr/Cr) ושניים. פרמטרים (n1/2 ו-τ) הקשורים לדינמיקה של דחיסה.הצפיפות האופטימלית ρ(∞) מוצגת גם היא (ראה נספח 1).הטבלה שלהלן מארגנת מחדש את נתוני הניסוי.
איורים 6 ו-7 מציגים את עקומות הדחיסה הכוללות (צפיפות בתפזורת מול מספר ההשפעות) ואת יחס הפרמטרים n1/2/Hausner.פסי שגיאה המחושבים באמצעות ממוצעים מוצגים בכל עקומה, וסטיות תקן חושבו מבדיקות החזרה.
מוצר הנירוסטה 316L היה המוצר הכבד ביותר (ρ(0) = 4.554 גרם/מ"ל).מבחינת צפיפות הקשה, SS 316L היא עדיין האבקה הכבדה ביותר (ρ(n) = 5.044 גרם/מ"ל), ואחריה דגימה A (ρ(n) = 1.668 גרם\מ"ל), ואחריה דגימה B (ρ (n) = 1.668 גרם/מ"ל) (n) = 1.645 גרם/מ"ל).דגימה C הייתה הנמוכה ביותר (ρ(n) = 1.581 גרם/מ"ל).על פי צפיפות התפזורת של האבקה הראשונית, אנו רואים שדגימה A היא הקלה ביותר, ובהתחשב בשגיאה (1.380 גרם/מ"ל), לדגימות B ו-C יש בערך אותו ערך.
כאשר האבקה מחוממת, יחס האוזנר שלה יורד, מה שמתרחש רק עבור דגימות B, C ו-SS 316L.עבור מדגם A, לא ניתן לעשות זאת בשל גודל פסי השגיאה.עבור n1/2, קשה יותר לזהות את מגמות הפרמטרים.עבור דגימה A ו-SS 316L, הערך של n1/2 ירד לאחר 2 שעות ב-200 מעלות צלזיוס, בעוד עבור אבקות B ו-C הוא עלה לאחר העמסה תרמית.
השתמש במזין רוטט עבור כל ניסוי GranuCharge (ראה איור 8).השתמש בצינור נירוסטה 316L.המדידות חזרו על עצמם 3 פעמים כדי להעריך את יכולת השחזור.משקל המוצר ששימש עבור כל מדידה היה כ-40 מ"ל ולא נמצאה אבקה לאחר המדידה.
לפני הניסוי, משקל האבקה (mp, g), לחות אוויר יחסית (RH,%), וטמפרטורה (°C) נרשמים.בתחילת הבדיקה, מדוד את צפיפות המטען של האבקה הראשונית (q0 ב- µC/kg) על ידי הכנסת האבקה לכוס Faraday.לבסוף, רשמו את מסת האבקה וחשבו את צפיפות המטען הסופית (qf, µC/kg) ו-Δq (Δq = qf - q0) בסוף הניסוי.
נתוני GranuCharge הגולמיים מוצגים בטבלה 2 ובאיור 9 (σ היא סטיית התקן המחושבת מתוצאות בדיקת השחזור), והתוצאות מוצגות כהיסטוגרמות (רק q0 ו-Δq מוצגות).ל-SS 316L הייתה העלות הראשונית הנמוכה ביותר;ייתכן שהדבר נובע מהעובדה שלמוצר זה יש את ה-PSD הגבוה ביותר.לגבי כמות הטעינה הראשונית של אבקת סגסוגת האלומיניום הראשונית, לא ניתן להסיק מסקנות בשל גודל השגיאות.
לאחר מגע עם צינור נירוסטה 316L, דגימה A רכשה את כמות המטען הנמוכה ביותר בהשוואה לאבקות B ו-C, מה שמדגיש מגמה דומה, כאשר אבקת SS 316L משופשפת עם SS 316L, נמצאה צפיפות מטען קרובה ל-0 (ראה triboelectric סִדרָה).מוצר B עדיין טעון יותר מ-A. עבור מדגם C, המגמה נמשכת (טעינה ראשונית חיובית ומטען סופי לאחר דליפה), אך מספר המטענים גדל לאחר השפלה תרמית.
לאחר שעתיים של לחץ תרמי ב-200 מעלות צלזיוס, התנהגות האבקה הופכת למרהיבה.בדגימות A ו-B המטען ההתחלתי יורד והמטען הסופי משתנה משלילי לחיובי.אבקת SS 316L הייתה בעלת המטען הראשוני הגבוה ביותר והשינוי בצפיפות המטען שלה הפך חיובי אך נשאר נמוך (כלומר 0.033 nC/g).
חקרנו את ההשפעה של השפלה תרמית על ההתנהגות המשולבת של סגסוגת אלומיניום (AlSi10Mg) ואבקות נירוסטה 316L תוך ניתוח האבקות המקוריות באוויר הסביבה לאחר שעתיים ב-200 מעלות צלזיוס.
השימוש באבקות בטמפרטורה גבוהה יכול לשפר את יכולת הפיזור של המוצר, ונראה כי השפעה זו חשובה יותר עבור אבקות בעלות שטח פנים ספציפי גבוה וחומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה.GranuDrum שימש להערכת זרימה, GranuPack שימש לניתוח מילוי דינמי, ו-GranuCharge שימש לניתוח הטריבו-חשמליות של האבקה במגע עם צינורות נירוסטה 316L.
תוצאות אלו נקבעו באמצעות GranuPack, אשר מראה את השיפור במקדם האוזנר עבור כל אבקה (למעט מדגם A עקב טעות בגודל) לאחר תהליך הלחץ התרמי.בהסתכלות על פרמטרי האריזה (n1/2), לא היו מגמות ברורות מכיוון שחלק מהמוצרים הראו עלייה במהירות האריזה בעוד שלאחרים הייתה השפעה מנוגדת (למשל דגימות B ו-C).