تخریب حرارتی پودرهای فلزات برای ساخت افزودنی: اثرات بر گسترش پذیری، دینامیک بسته بندی و الکترواستاتیک

ما از کوکی ها برای بهبود تجربه شما استفاده می کنیم.با ادامه مرور این سایت، با استفاده ما از کوکی ها موافقت می کنید.اطلاعات تکمیلی.
تولید افزودنی (AM) شامل ایجاد اجسام سه بعدی، یک لایه فوق‌العاده نازک در هر زمان است که گران‌تر از ماشین‌کاری سنتی است.با این حال، تنها بخش کوچکی از پودر رسوب‌شده در طول فرآیند مونتاژ به قطعه لحیم می‌شود.سپس بقیه ذوب نمی شوند، بنابراین می توان از آن دوباره استفاده کرد.در مقابل، اگر جسم به صورت کلاسیک ایجاد شود، معمولاً حذف مواد با آسیاب و ماشینکاری مورد نیاز است.
ویژگی های پودر تعیین کننده پارامترهای دستگاه است و ابتدا باید در نظر گرفته شود.با توجه به اینکه پودر ذوب نشده آلوده است و قابل بازیافت نیست، هزینه AM غیراقتصادی خواهد بود.آسیب به پودرها منجر به دو پدیده می شود: اصلاح شیمیایی محصول و تغییر در خواص مکانیکی مانند مورفولوژی و توزیع اندازه ذرات.
در حالت اول، وظیفه اصلی ایجاد ساختارهای جامد حاوی آلیاژهای خالص است، بنابراین باید از آلودگی پودر، به عنوان مثال، با اکسیدها یا نیتریدها جلوگیری کنیم.در مورد دوم، این پارامترها با سیالیت و گسترش پذیری مرتبط هستند.بنابراین هرگونه تغییر در خواص پودر می تواند منجر به توزیع غیر یکنواخت محصول شود.
داده های انتشارات اخیر نشان می دهد که فلومترهای کلاسیک نمی توانند اطلاعات کافی در مورد جریان پذیری پودر در تولید افزودنی های بستر پودری ارائه دهند.با توجه به مشخصات مواد خام (یا پودرها)، چندین روش اندازه گیری مناسب در بازار وجود دارد که می تواند این نیاز را برآورده کند.حالت تنش و میدان جریان پودر باید در سلول اندازه گیری و در فرآیند یکسان باشد.وجود بارهای فشاری با جریان سطح آزاد مورد استفاده در دستگاه های AM در تسترهای سلول برشی و رئومترهای کلاسیک ناسازگار است.
GranuTools گردش کار را برای توصیف پودر در تولید افزودنی توسعه داده است.هدف اصلی ما داشتن یک ابزار در هر هندسه برای مدل‌سازی دقیق فرآیند بود و این گردش کار برای درک و ردیابی تکامل کیفیت پودر در چندین پاس چاپ استفاده شد.چندین آلیاژ آلومینیوم استاندارد (AlSi10Mg) برای مدت زمان های مختلف در بارهای حرارتی مختلف (از 100 تا 200 درجه سانتی گراد) انتخاب شدند.
تخریب حرارتی را می توان با تجزیه و تحلیل توانایی پودر برای ذخیره بار کنترل کرد.پودرها از نظر جریان پذیری (دستگاه GranuDrum)، سینتیک بسته بندی (دستگاه GranuPack) و رفتار الکترواستاتیک (دستگاه GranuCharge) آنالیز شدند.اندازه گیری های سینتیک چسبندگی و بسته بندی برای توده های پودر زیر موجود است.
پودرهایی که به راحتی پخش می شوند، شاخص چسبندگی پایینی را تجربه می کنند، در حالی که پودرهایی با دینامیک پر شدن سریع، قطعات مکانیکی با تخلخل کمتر در مقایسه با محصولاتی که پر کردن آنها سخت تر است، تولید می کنند.
سه پودر آلیاژ آلومینیوم (AlSi10Mg) ذخیره شده در آزمایشگاه ما برای چندین ماه، با توزیع اندازه ذرات مختلف، و یک نمونه فولاد ضد زنگ 316L، که در اینجا به عنوان نمونه های A، B و C نامیده می شود، انتخاب شدند.ویژگی های نمونه ممکن است با سایرین متفاوت باشد.تولید کنندگانتوزیع اندازه ذرات نمونه با تجزیه و تحلیل پراش لیزری/ISO 13320 اندازه‌گیری شد.
از آنجایی که آنها پارامترهای دستگاه را کنترل می کنند، ابتدا باید خواص پودر را در نظر گرفت و اگر پودر ذوب نشده را آلوده و غیرقابل بازیافت بدانیم، هزینه ساخت افزودنی آنچنان که می خواهیم مقرون به صرفه نخواهد بود.بنابراین، سه پارامتر جریان پودر، سینتیک بسته بندی و الکترواستاتیک بررسی خواهد شد.
گسترش پذیری مربوط به یکنواختی و "صافی" لایه پودری پس از عملیات پوشش دهی مجدد است.این بسیار مهم است زیرا سطوح صاف آسان‌تر چاپ می‌شوند و می‌توان آن را با ابزار GranuDrum با اندازه‌گیری شاخص چسبندگی بررسی کرد.
از آنجایی که منافذ نقاط ضعف یک ماده هستند، می توانند منجر به ترک شوند.دینامیک بسته بندی دومین پارامتر مهم است زیرا پودرهای بسته بندی سریع تخلخل کمی دارند.این رفتار با GranuPack با مقدار n1/2 اندازه گیری شده است.
وجود بار الکتریکی در پودر نیروهای منسجمی را ایجاد می کند که منجر به تشکیل آگلومرا می شود.GranuCharge توانایی یک پودر را برای ایجاد بار الکترواستاتیکی در تماس با یک ماده انتخاب شده در طول جریان اندازه گیری می کند.
در طول پردازش، GranuCharge می تواند زوال جریان، مانند تشکیل لایه در AM را پیش بینی کند.بنابراین اندازه گیری های به دست آمده نسبت به وضعیت سطح دانه (اکسیداسیون، آلودگی و زبری) بسیار حساس هستند.سپس پیری پودر بازیافت شده را می توان با دقت کمی (±0.5 nC) تعیین کرد.
GranuDrum بر اساس اصل یک درام چرخان است و یک روش برنامه ریزی شده برای اندازه گیری جریان پذیری یک پودر است.یک استوانه افقی با دیواره های جانبی شفاف حاوی نیمی از نمونه پودر است.درام حول محور خود با سرعت زاویه ای 2 تا 60 دور در دقیقه می چرخد ​​و دوربین CCD عکس می گیرد (از 30 تا 100 تصویر در فواصل زمانی 1 ثانیه).رابط هوا/پودر روی هر تصویر با استفاده از یک الگوریتم تشخیص لبه شناسایی می شود.
میانگین موقعیت رابط و نوسانات حول این موقعیت متوسط ​​را محاسبه کنید.برای هر سرعت چرخش، زاویه جریان (یا "زاویه سکون پویا") αf از میانگین موقعیت رابط محاسبه می شود، و شاخص چسبندگی دینامیکی σf، که به پیوند بین ذره ای اشاره دارد، از نوسانات رابط تحلیل می شود.
زاویه جریان تحت تأثیر تعدادی پارامتر است: اصطکاک بین ذرات، شکل و انسجام (وندروالس، نیروهای الکترواستاتیک و مویرگی).پودرهای چسبنده منجر به جریان متناوب می شوند، در حالی که پودرهای غیر چسبنده باعث جریان منظم می شوند.مقادیر کوچکتر زاویه جریان αf مربوط به خواص جریان خوب است.یک شاخص چسبندگی دینامیکی نزدیک به صفر مربوط به یک پودر غیر چسبنده است، بنابراین، با افزایش چسبندگی پودر، شاخص چسبندگی نیز افزایش می یابد.
GranuDrum به شما امکان می دهد زاویه اولین بهمن و هوادهی پودر را در طول جریان اندازه گیری کنید، همچنین شاخص چسبندگی σf و زاویه جریان αf را بسته به سرعت چرخش اندازه گیری کنید.
چگالی ظاهری GranuPack، چگالی ضربه زدن و اندازه گیری نسبت هاوسنر (که به آن "تست های لمسی" نیز گفته می شود) به دلیل سهولت و سرعت اندازه گیری در مشخصه های پودر بسیار محبوب هستند.چگالی پودر و توانایی افزایش چگالی آن پارامترهای مهمی در حین نگهداری، حمل و نقل، تجمع و غیره است. روش توصیه شده در فارماکوپه شرح داده شده است.
این تست ساده سه اشکال عمده دارد.اندازه گیری ها وابسته به اپراتور هستند و روش پر کردن بر حجم اولیه پودر تأثیر می گذارد.اندازه گیری بصری حجم می تواند منجر به خطاهای جدی در نتایج شود.به دلیل سادگی آزمایش، دینامیک تراکم بین ابعاد اولیه و نهایی را نادیده گرفتیم.
رفتار پودر وارد شده به خروجی پیوسته با استفاده از تجهیزات خودکار تجزیه و تحلیل شد.ضریب هازنر Hr، چگالی اولیه ρ(0) و چگالی نهایی ρ(n) را پس از n کلیک به دقت اندازه گیری کنید.
تعداد شیرها معمولاً در n=500 ثابت است.GranuPack یک اندازه گیری تراکم ضربه زدن خودکار و پیشرفته بر اساس آخرین تحقیقات دینامیکی است.
نمایه های دیگری را می توان استفاده کرد، اما در اینجا فهرست نشده اند.پودر در لوله های فلزی قرار می گیرد و از طریق یک فرآیند اولیه دقیق خودکار انجام می شود.برون یابی پارامتر دینامیکی n1/2 و حداکثر چگالی ρ(∞) از منحنی تراکم گرفته شده است.
یک استوانه توخالی سبک وزن در بالای بستر پودر قرار می گیرد تا سطح رابط پودر/هوا را در طول فشرده سازی حفظ کند.لوله حاوی نمونه پودر تا ارتفاع ثابت ΔZ بالا می رود و سپس آزادانه به ارتفاعی می افتد که معمولاً در ∆Z = 1 میلی متر یا ∆Z = 3 میلی متر ثابت می شود و پس از هر ضربه به طور خودکار اندازه گیری می شود.با ارتفاع، می توانید حجم V شمع را محاسبه کنید.
چگالی نسبت جرم m به حجم V لایه پودری است.جرم پودر m مشخص است، چگالی ρ پس از هر رهاسازی اعمال می شود.
ضریب هازنر Hr مربوط به نرخ تراکم است و با معادله Hr = ρ(500) / ρ(0) تحلیل می شود، که ρ(0) چگالی ظاهری اولیه و ρ(500) چگالی شیر محاسبه شده پس از 500 است. ضربه بزنید.نتایج با استفاده از روش GranuPack با مقدار کمی پودر (معمولاً 35 میلی لیتر) قابل تکرار هستند.
خواص پودر و ماهیت ماده ای که دستگاه از آن ساخته شده است پارامترهای کلیدی هستند.در طول جریان، بارهای الکترواستاتیکی در داخل پودر ایجاد می‌شود و این بارها ناشی از اثر تریبوالکتریک، تبادل بارها هنگام برخورد دو جامد است.
هنگامی که پودر در داخل دستگاه جریان می یابد، اثرات تریبوالکتریک در تماس بین ذرات و در تماس بین ذره و دستگاه رخ می دهد.
پس از تماس با ماده انتخاب شده، GranuCharge به طور خودکار مقدار بار الکترواستاتیک تولید شده در داخل پودر را در طول جریان اندازه گیری می کند.نمونه‌ای از پودر در یک لوله V ارتعاشی جریان می‌یابد و به یک فنجان فارادی متصل به یک الکترومتر می‌افتد که باری را که پودر هنگام حرکت در لوله V بدست می‌آورد اندازه‌گیری می‌کند.برای نتایج قابل تکرار، لوله V را مرتباً با یک دستگاه چرخان یا لرزان تغذیه کنید.
اثر تریبوالکتریک باعث می شود یک جسم روی سطح خود الکترون بگیرد و در نتیجه بار منفی داشته باشد، در حالی که جسم دیگر الکترون ها را از دست می دهد و بنابراین بار مثبت دارد.برخی از مواد راحت‌تر از سایرین الکترون می‌گیرند و به همین ترتیب، مواد دیگر نیز راحت‌تر الکترون‌های خود را از دست می‌دهند.
اینکه کدام ماده منفی و کدام ماده مثبت می شود بستگی به تمایل نسبی مواد درگیر به گرفتن یا از دست دادن الکترون دارد.برای نشان دادن این روندها، سری تریبوالکتریک نشان داده شده در جدول 1 توسعه داده شد.موادی که تمایل به بار مثبت دارند و موادی که تمایل به بار منفی دارند فهرست شده اند، در حالی که موادی که تمایلات رفتاری نشان نمی دهند در وسط جدول فهرست شده اند.
از طرف دیگر، این جدول فقط اطلاعاتی در مورد روند رفتار بار مواد ارائه می دهد، بنابراین GranuCharge برای ارائه مقادیر دقیق برای رفتار بار پودر ایجاد شده است.
چندین آزمایش برای تجزیه و تحلیل تجزیه حرارتی انجام شد.نمونه ها به مدت یک تا دو ساعت در دمای 200 درجه سانتیگراد قرار گرفتند.سپس پودر بلافاصله با GranuDrum (نام حرارتی) آنالیز می شود.سپس پودر در ظرفی قرار می گیرد تا به دمای محیط برسد و سپس با استفاده از GranuDrum، GranuPack و GranuCharge (یعنی "سرد") آنالیز می شود.
نمونه‌های خام با استفاده از GranuPack، GranuDrum و GranuCharge در همان رطوبت/دمای اتاق، یعنی رطوبت نسبی 1.5 ± 35.0 درصد و دمای 1.0 ± 21.0 درجه سانتیگراد مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.
شاخص انسجام، جریان پذیری یک پودر را محاسبه می کند و با تغییرات در موقعیت رابط (پودر/هوا)، که فقط سه نیروی تماس (واندروالس، مویرگی و الکترواستاتیک) را منعکس می کند، ارتباط دارد.قبل از آزمایش، رطوبت نسبی (RH،٪) و دما (درجه سانتیگراد) را ثبت کنید.سپس پودر را در ظرف درام بریزید و آزمایش را شروع کنید.
ما به این نتیجه رسیدیم که این محصولات در هنگام در نظر گرفتن پارامترهای تیکسوتروپیک به کیک شدن حساس نیستند.جالب توجه است که تنش حرارتی رفتار رئولوژیکی پودرهای نمونه های A و B را از ضخیم شدن برشی به نازک شدن برشی تغییر داد.از سوی دیگر، نمونه‌های C و SS 316L تحت تأثیر دما قرار نگرفتند و تنها ضخیم شدن برشی را نشان دادند.هر پودر قابلیت پخش بهتری (یعنی شاخص چسبندگی کمتر) پس از گرم شدن و سرد شدن را نشان داد.
اثر دما به سطح ویژه ذرات نیز بستگی دارد.هرچه رسانایی حرارتی ماده بیشتر باشد، تأثیر آن بر دما (یعنی ???225°?=250?.?-1.?-1) و ?316?225°?=19?.?-1.?-1)، هر چه ذرات کوچکتر باشند، تاثیر دما مهمتر است.کار در دماهای بالا به دلیل افزایش قابلیت پخش شدن، انتخاب خوبی برای پودرهای آلیاژ آلومینیوم است و نمونه های خنک شده در مقایسه با پودرهای دست نخورده، جریان پذیری بهتری دارند.
برای هر آزمایش GranuPack، وزن پودر قبل از هر آزمایش ثبت شد و نمونه تحت 500 ضربه با فرکانس ضربه 1 هرتز با سقوط آزاد سلول اندازه گیری 1 میلی متر (انرژی ضربه ∝) قرار گرفت.نمونه ها بر اساس دستورالعمل های نرم افزاری مستقل از کاربر در سلول های اندازه گیری توزیع می شوند.سپس اندازه‌گیری‌ها دو بار برای ارزیابی تکرارپذیری و بررسی میانگین و انحراف معیار تکرار شد.
پس از تکمیل تجزیه و تحلیل GranuPack، چگالی بسته بندی اولیه (ρ(0))، تراکم بسته بندی نهایی (در چندین کلیک، n = 500، یعنی ρ(500))، نسبت هاوسنر/شاخص کار (Hr/Cr) و دو مورد ثبت شد. پارامترهای (n1/2 و τ) مربوط به دینامیک تراکم.چگالی بهینه ρ(∞) نیز نشان داده شده است (پیوست 1 را ببینید).جدول زیر داده های تجربی را سازماندهی مجدد می کند.
شکل های 6 و 7 منحنی های تراکم کلی (دانسیته ظاهری در مقابل تعداد ضربه ها) و نسبت پارامتر n1/2/Hausner را نشان می دهند.میله های خطا محاسبه شده با استفاده از میانگین ها در هر منحنی نشان داده شده است و انحرافات استاندارد از آزمون های تکرارپذیری محاسبه شده است.
محصول فولاد ضد زنگ 316L سنگین ترین محصول بود (ρ(0) = 4.554 گرم در میلی لیتر).از نظر چگالی ضربه زدن، SS 316L همچنان سنگین‌ترین پودر است (ρ(n) = 5.044 گرم در میلی‌لیتر، پس از آن نمونه A (ρ(n) = 1.668 گرم در میلی‌لیتر)، و پس از آن نمونه B (ρ (n) = 1.668 g/ml) (n) = 1.645 g/ml).نمونه C کمترین مقدار را داشت (ρ(n) = 1.581 g/mL).با توجه به جرم ظاهری پودر اولیه، می بینیم که نمونه A سبک ترین است و با در نظر گرفتن خطا (1.380 گرم در میلی لیتر)، نمونه های B و C تقریباً دارای یک مقدار هستند.
هنگامی که پودر گرم می شود، نسبت Hausner آن کاهش می یابد، که فقط برای نمونه های B، C و SS 316L رخ می دهد.برای نمونه A، به دلیل اندازه نوارهای خطا، نمی توان این کار را انجام داد.برای n1/2، شناسایی روند پارامترها دشوارتر است.برای نمونه A و SS 316L، مقدار n1/2 پس از 2 ساعت در 200 درجه سانتیگراد کاهش یافت، در حالی که برای پودرهای B و C پس از بارگذاری حرارتی افزایش یافت.
برای هر آزمایش GranuCharge از یک فیدر ارتعاشی استفاده شد (شکل 8 را ببینید).از لوله فولادی ضد زنگ 316L استفاده کنید.اندازه‌گیری‌ها 3 بار برای ارزیابی تکرارپذیری تکرار شد.وزن محصول مورد استفاده برای هر اندازه گیری تقریباً 40 میلی لیتر بود و پس از اندازه گیری هیچ پودری بازیابی نشد.
قبل از آزمایش، وزن پودر (mp، g)، رطوبت نسبی هوا (RH،٪)، و دما (درجه سانتی گراد) ثبت می شود.در شروع آزمایش، چگالی بار پودر اولیه (q0 بر حسب μC/kg) را با وارد کردن پودر به فنجان فارادی اندازه‌گیری کنید.در نهایت، جرم پودر را ثبت کرده و چگالی بار نهایی (qf, μC/kg) و Δq (Δq = qf – q0) را در پایان آزمایش محاسبه کنید.
داده های خام GranuCharge در جدول 2 و شکل 9 نشان داده شده است (σ انحراف معیار محاسبه شده از نتایج آزمون تکرارپذیری است)، و نتایج به صورت هیستوگرام ارائه شده است (فقط q0 و Δq نشان داده شده است).SS 316L کمترین هزینه اولیه را داشت.این ممکن است به این دلیل باشد که این محصول دارای بالاترین PSD است.در مورد مقدار شارژ اولیه پودر آلیاژ آلومینیوم اولیه، به دلیل اندازه خطاها نمی توان نتیجه گیری کرد.
پس از تماس با لوله فولادی ضد زنگ 316L، نمونه A کمترین بار را در مقایسه با پودرهای B و C به دست آورد، که روند مشابهی را نشان می دهد، هنگامی که پودر SS 316L با SS 316L مالیده می شود، چگالی شارژ نزدیک به 0 پیدا می شود (تریبوالکتریک را ببینید. سلسله).بارگیری محصول B هنوز بیشتر از A است. برای نمونه C، روند ادامه دارد (شارژ اولیه مثبت و شارژ نهایی پس از نشتی)، اما تعداد شارژها پس از تخریب حرارتی افزایش می‌یابد.
پس از 2 ساعت استرس حرارتی در دمای 200 درجه سانتی گراد، رفتار پودر فوق العاده می شود.در نمونه های A و B بار اولیه کاهش می یابد و بار نهایی از منفی به مثبت تغییر می کند.پودر SS 316L بالاترین بار اولیه را داشت و تغییر چگالی بار آن مثبت شد اما کم ماند (یعنی 0.033 nC/g).
ما تأثیر تخریب حرارتی را بر رفتار ترکیبی آلیاژ آلومینیوم (AlSi10Mg) و پودرهای فولاد ضد زنگ 316L در حالی که پودرهای اصلی را در هوای محیط پس از 2 ساعت در دمای 200 درجه سانتیگراد تجزیه و تحلیل کردیم، بررسی کردیم.
استفاده از پودرها در دمای بالا می‌تواند قابلیت پخش‌پذیری محصول را بهبود بخشد و به نظر می‌رسد این اثر برای پودرهایی با سطح ویژه بالا و مواد با رسانایی حرارتی بالا اهمیت بیشتری دارد.GranuDrum برای ارزیابی جریان، GranuPack برای تجزیه و تحلیل پر شدن دینامیکی و GranuCharge برای تجزیه و تحلیل تریبوالکتریکی پودر در تماس با لوله فولادی ضد زنگ 316L استفاده شد.
این نتایج با استفاده از GranuPack ایجاد شد، که نشان دهنده بهبود ضریب هازنر برای هر پودر (به استثنای نمونه A به دلیل خطای اندازه) پس از فرآیند تنش حرارتی است.با نگاهی به پارامترهای بسته بندی (n1/2)، هیچ روند واضحی وجود نداشت زیرا برخی از محصولات افزایش سرعت بسته بندی را نشان دادند در حالی که برخی دیگر اثر متضاد داشتند (مانند نمونه های B و C).