Koristimo kolačiće kako bismo poboljšali vaše iskustvo. Nastavkom pregledavanja ove stranice pristajete na našu upotrebu kolačića. Dodatne informacije.
Aditivna proizvodnja (AM) uključuje kreiranje 3D objekata, jedan ultra-tanki sloj po jedan, što je čini skupljom od tradicionalne obrade. Međutim, samo mali dio praha se zavaruje na komponentu tokom procesa montaže. Ostatak se ne spaja, tako da se može ponovo koristiti. Nasuprot tome, ako se objekat kreira na klasičan način, obično je potrebno glodanje i mašinska obrada kako bi se uklonio materijal.
Svojstva praha određuju parametre mašine i moraju se uzeti u obzir na prvom mjestu. Troškovi aditivne proizvodnje (AM) ne bi bili ekonomični s obzirom na to da je nerastopljeni prah kontaminiran i ne može se reciklirati. Degradacija praha rezultira dvama fenomenima: hemijskom modifikacijom proizvoda i promjenama mehaničkih svojstava kao što su morfologija i raspodjela veličine čestica.
U prvom slučaju, glavni zadatak je stvaranje čvrstih struktura koje sadrže čiste legure, tako da moramo izbjeći kontaminaciju praha, na primjer, oksidima ili nitridima. U ovom drugom fenomenu, ovi parametri su povezani s fluidnošću i mazivošću. Stoga, svaka promjena svojstava praha može dovesti do neujednačene raspodjele proizvoda.
Podaci iz nedavnih publikacija pokazuju da klasični mjerači protoka ne mogu pružiti adekvatne informacije o distribuciji praha u AM na osnovu sloja praha. Što se tiče karakterizacije sirovine (ili praha), na tržištu postoji nekoliko relevantnih metoda mjerenja koje mogu zadovoljiti ovaj zahtjev. Stanje napona i polje protoka praha moraju biti isti u mjernom postavci i u procesu. Prisustvo kompresivnih opterećenja nije kompatibilno sa protokom slobodne površine koji se koristi u IM uređajima u testerima smicanja i klasičnim reometrima.
GranuTools je razvio tijek rada za karakterizaciju AM praha. Naš glavni cilj je opremiti svaku geometriju preciznim alatom za simulaciju procesa, a ovaj tijek rada se koristi za razumijevanje i praćenje evolucije kvalitete praha u različitim procesima štampanja. Nekoliko standardnih aluminijskih legura (AlSi10Mg) odabrano je za različita trajanja pri različitim termičkim opterećenjima (od 100 do 200 °C).
Termička degradacija se može kontrolisati analizom sposobnosti praha da akumulira električni naboj. Praškovi su analizirani na tečljivost (GranuDrum instrument), kinetiku pakovanja (GranuPack instrument) i elektrostatičko ponašanje (GranuCharge instrument). Mjerenja kohezije i kinetike pakovanja su pogodna za praćenje kvaliteta praha.
Praškovi koji se lako nanose pokazat će niske indekse kohezije, dok će prahovi s brzom dinamikom punjenja proizvoditi mehaničke dijelove s nižom poroznošću u usporedbi s proizvodima koje je teže puniti.
Nakon nekoliko mjeseci skladištenja u našoj laboratoriji, odabrana su tri uzorka praha aluminijske legure s različitim raspodjelama veličine čestica (AlSi10Mg) i jedan uzorak nehrđajućeg čelika 316L, ovdje nazvani uzorci A, B i C. Svojstva uzoraka mogu se razlikovati od uzoraka drugih proizvođača. Raspodjela veličine čestica uzorka mjerena je laserskom difrakcijskom analizom/ISO 13320.
Budući da kontroliraju parametre mašine, prvo se moraju uzeti u obzir svojstva praha, a ako se nerastopljeni prahovi smatraju kontaminiranim i nereciklirajućim, onda aditivna proizvodnja nije toliko ekonomična koliko bi se moglo nadati. Stoga će se istražiti tri parametra: protok praha, dinamika pakiranja i elektrostatika.
Razmazivanje je povezano s ujednačenošću i "glatkoćom" sloja praha nakon ponovnog nanošenja. Ovo je vrlo važno jer se glatke površine lakše štampaju i mogu se ispitati GranuDrum alatom s mjerenjem indeksa adhezije.
Budući da su pore slabe tačke u materijalu, mogu dovesti do pukotina. Dinamika punjenja je drugi ključni parametar, jer prahovi koji se brzo pune pružaju nisku poroznost. Ovo ponašanje se mjeri GranuPack-om s vrijednošću n1/2.
Prisustvo električnih naboja u prahu stvara kohezivne sile koje dovode do formiranja aglomerata. GranuCharge mjeri sposobnost prahova da generišu elektrostatički naboj kada su u kontaktu sa odabranim materijalima tokom toka.
Tokom obrade, GranuCharge može predvidjeti pogoršanje tečenja, na primjer, prilikom formiranja sloja u AM. Stoga su dobijena mjerenja vrlo osjetljiva na stanje površine zrna (oksidacija, kontaminacija i hrapavost). Starenje regeneriranog praha se tada može precizno kvantificirati (±0,5 nC).
GranuDrum je programirana metoda mjerenja protoka praha zasnovana na principu rotirajućeg bubnja. Polovina uzorka praha se nalazi u horizontalnom cilindru sa prozirnim bočnim zidovima. Bubanj se okreće oko svoje ose ugaonom brzinom od 2 do 60 o/min, a CCD kamera snima slike (od 30 do 100 slika u intervalima od 1 sekunde). Interval zrak/prah se identificira na svakoj slici pomoću algoritma za detekciju ivica.
Izračunajte prosječni položaj granične površine i oscilacije oko ovog prosječnog položaja. Za svaku brzinu rotacije, ugao protoka (ili "dinamički ugao mirovanja") αf se izračunava iz prosječnog položaja granične površine, a faktor dinamičke kohezije σf povezan sa međuzrnim vezama se analizira iz fluktuacija granične površine.
Na ugao protoka utiče niz parametara: trenje, oblik i kohezija između čestica (van der Waalsove, elektrostatičke i kapilarne sile). Kohezivni prahovi rezultiraju isprekidanim protokom, dok neviskozni prahovi rezultiraju pravilnim protokom. Niske vrijednosti ugla protoka αf odgovaraju dobrom protoku. Dinamički indeks adhezije blizu nule odgovara nekohezivnom prahu, tako da kako se adhezija praha povećava, indeks adhezije se shodno tome povećava.
GranuDrum vam omogućava mjerenje prvog ugla lavine i aeracije praha tokom protoka, kao i mjerenje indeksa adhezije σf i ugla protoka αf u zavisnosti od brzine rotacije.
Mjerenja gustine nasipnog materijala, gustine tapkanjem i Hausnerovog omjera (također poznata kao "testovi tapkanjem") GranuPack-a idealna su za karakterizaciju praha zbog jednostavnosti i brzine mjerenja. Gustina praha i mogućnost povećanja njene gustoće važni su parametri tokom skladištenja, transporta, aglomeracije itd. Preporučeni postupci navedeni su u Farmakopeji.
Ovaj jednostavan test ima tri glavna nedostatka. Mjerenje zavisi od operatera, a način punjenja utiče na početnu zapreminu praha. Mjerenje ukupne zapremine može dovesti do ozbiljnih grešaka u rezultatima. Zbog jednostavnosti eksperimenta, nismo uzeli u obzir dinamiku zbijanja između početnog i konačnog mjerenja.
Ponašanje praha ubačenog u kontinuirani izlaz analizirano je korištenjem automatizirane opreme. Precizno izmjerite Hausnerov koeficijent Hr, početnu gustoću ρ(0) i konačnu gustoću ρ(n) nakon n klikova.
Broj dodirivanja je obično fiksiran na n=500. GranuPack je automatizirano i napredno mjerenje gustoće dodirivanja zasnovano na nedavnim dinamičkim istraživanjima.
Mogu se koristiti i drugi indeksi, ali ovdje nisu navedeni. Prah se stavlja u metalnu cijev putem rigoroznog automatiziranog procesa inicijalizacije. Ekstrapolacija dinamičkog parametra n1/2 i maksimalne gustoće ρ(∞) uklonjena je iz krivulje zbijanja.
Lagani šuplji cilindar postavlja se na vrh sloja praha kako bi se održao nivo granice između praha i zraka tokom sabijanja. Cijev koja sadrži uzorak praha podiže se do fiksne visine ΔZ i slobodno pada na visini koja je obično fiksna na ΔZ = 1 mm ili ΔZ = 3 mm, a koja se automatski mjeri nakon svakog dodira. Izračunajte zapreminu V hrpe na osnovu visine.
Gustoća je odnos mase m i zapremine sloja praha V. Masa praha m je poznata, gustoća ρ se primjenjuje nakon svakog udara.
Hausnerov koeficijent Hr povezan je s faktorom zbijanja i analizira se jednačinom Hr = ρ(500) / ρ(0), gdje je ρ(0) početna gustoća, a ρ(500) izračunati protok nakon 500 ciklusa. Mjerenje gustoće. Kada se koristi GranuPack metoda, rezultati se mogu reproducibirati korištenjem male količine praha (obično 35 ml).
Svojstva praha i svojstva materijala od kojeg je uređaj napravljen su ključni parametri. Tokom protoka, elektrostatička naboja se stvaraju unutar praha zbog triboelektričnog efekta, koji predstavlja razmjenu naboja kada dvije čvrste tvari dođu u kontakt.
Kada prah teče unutar uređaja, triboelektrični efekat se javlja na kontaktu između čestica i na kontaktu između čestica i uređaja.
Nakon kontakta s odabranim materijalom, GranuCharge automatski mjeri količinu elektrostatičkog naboja generiranog unutar praha tokom protoka. Uzorak praha teče unutar vibrirajuće V-cijevi i pada u Faradejevu posudu povezanu s elektrometrom koji mjeri naboj koji se stiče dok se prah kreće unutar V-cijevi. Za ponovljive rezultate, koristite rotirajući ili vibrirajući uređaj za često punjenje V-cijevi.
Triboelektrični efekat uzrokuje da jedan objekat prima elektrone na svojoj površini i tako postaje negativno naelektrisan, dok drugi objekat gubi elektrone i tako postaje pozitivno naelektrisan. Neki materijali lakše primaju elektrone od drugih, a slično tome, drugi materijali lakše gube elektrone.
Koji materijal postaje negativan, a koji pozitivan zavisi od relativne sklonosti materijala da primaju ili gube elektrone. Da bi se predstavili ovi trendovi, razvijena je triboelektrična serija prikazana u Tabeli 1. Navedeni su materijali sa trendom pozitivnog naboja i drugi sa trendom negativnog naboja, a metode materijala koje ne pokazuju nikakav trend ponašanja navedene su u sredini tabele.
S druge strane, tabela pruža samo informacije o trendovima u ponašanju materijala pri punjenju, tako da je GranuCharge kreiran kako bi pružio tačne numeričke vrijednosti za ponašanje prahova pri punjenju.
Nekoliko eksperimenata je provedeno kako bi se analizirala termička razgradnja. Uzorci su stavljeni na 200°C tokom jednog do dva sata. Prah je zatim odmah analiziran GranuDrumom (naziv za vruće ispitivanje). Prah je zatim stavljen u posudu dok ne dostigne sobnu temperaturu, a zatim analiziran pomoću GranuDruma, GranuPacka i GranuChargea (tj. "hladno" ispitivanje).
Sirovi uzorci su analizirani korištenjem GranuPack-a, GranuDrum-a i GranuCharge-a pri istoj vlažnosti/temperaturi prostorije (tj. 35,0 ± 1,5% relativne vlažnosti i temperaturi od 21,0 ± 1,0 °C).
Indeks kohezije izračunava tečljivost prahova i korelira s promjenama položaja granične površine (prah/zrak), što je rezultat samo tri kontaktne sile (van der Waalsova, kapilarna i elektrostatička sila). Prije eksperimenta, zabilježene su relativna vlažnost zraka (RH, %) i temperatura (°C). Zatim je prah sipan u bubanj i eksperiment je započeo.
Zaključili smo da ovi proizvodi nisu podložni aglomeraciji kada se uzmu u obzir tiksotropni parametri. Zanimljivo je da je termički stres promijenio reološko ponašanje prahova uzoraka A i B od zgušnjavanja pri smicanju do razrjeđivanja pri smicanju. S druge strane, uzorci C i SS 316L nisu bili pod utjecajem temperature i pokazali su samo zgušnjavanje pri smicanju. Svaki prah imao je bolju razmazuvost (tj. niži indeks kohezije) nakon zagrijavanja i hlađenja.
Utjecaj temperature također ovisi o specifičnoj površini čestica. Što je veća toplinska provodljivost materijala, to je veći utjecaj na temperaturu (npr. ???225°?=250?.?-1.?-1) i ???316?. 225°?=19?.?-1.?-1). Što je čestica manja, to je veći utjecaj temperature. Prahovi aluminijskih legura odlični su za primjene na visokim temperaturama zbog svoje povećane razmazljivosti, pa čak i ohlađeni uzorci postižu bolju tečljivost od originalnih prahova.
Za svaki GranuPack eksperiment, masa praha je zabilježena prije svakog eksperimenta, a uzorak je udaren 500 puta frekvencijom udara od 1 Hz sa slobodnim padom od 1 mm u mjernoj ćeliji (energija udara ∝). Uzorak se dozira u mjernu ćeliju prema uputama softvera neovisnog o korisniku. Zatim su mjerenja ponovljena dva puta kako bi se procijenila ponovljivost i istražila srednja vrijednost i standardna devijacija.
Nakon što je završena GranuPack analiza, izračunate su početna gustina nasipnog materijala (ρ(0)), konačna gustina nasipnog materijala (pri višestrukim dodirima, n = 500, tj. ρ(500)), Hausnerov omjer/Carrov indeks (Hr/Cr) i dva parametra registracije (n1/2 i τ) koji se odnose na kinetiku zbijanja. Također je prikazana optimalna gustina ρ(∞) (vidi Dodatak 1). Tabela ispod restrukturira eksperimentalne podatke.
Slike 6 i 7 prikazuju ukupnu krivulju zbijanja (zapreminska gustina u odnosu na broj udara) i odnos parametara n1/2/Hausner. Trake greške izračunate korištenjem srednje vrijednosti prikazane su na svakoj krivulji, a standardne devijacije izračunate su testiranjem ponovljivosti.
Proizvod od nehrđajućeg čelika 316L bio je najteži proizvod (ρ(0) = 4,554 g/mL). Što se tiče gustoće nanošenja, SS 316L ostaje najteži prah (ρ(n) = 5,044 g/mL), a slijede ga Uzorak A (ρ(n) = 1,668 g/mL), a zatim Uzorak B (ρ(n) = 1,668 g/ml). (n) = 1,645 g/ml). Uzorak C bio je najniži (ρ(n) = 1,581 g/mL). Prema gustoći početnog praha, vidimo da je uzorak A najlakši, a uzimajući u obzir greške (1,380 g/ml), uzorci B i C imaju približno istu vrijednost.
Kako se prah zagrijava, njegov Hausnerov omjer se smanjuje, a to se događa samo kod uzoraka B, C i SS 316L. Za uzorak A, to nije bilo moguće izvesti zbog veličine intervala greške. Za n1/2, podcrtavanje parametarskog trenda je složenije. Za uzorak A i SS 316L, vrijednost n1/2 se smanjila nakon 2 sata na 200°C, dok se za prahove B i C povećala nakon termičkog opterećenja.
Za svaki GranuCharge eksperiment korišten je vibrirajući dozator (vidi Sliku 8). Korištene su cijevi od nehrđajućeg čelika 316L. Mjerenja su ponovljena 3 puta kako bi se procijenila ponovljivost. Težina proizvoda korištenog za svako mjerenje bila je približno 40 ml i nakon mjerenja nije pronađen prah.
Prije eksperimenta, zabilježeni su težina praha (mp, g), relativna vlažnost zraka (RH, %) i temperatura (°C). Na početku testa, izmjerena je gustoća naboja primarnog praha (q0 u µC/kg) stavljanjem praha u Faradejevu posudu. Konačno, masa praha je fiksirana i izračunati su konačna gustoća naboja (qf, µC/kg) i Δq (Δq = qf – q0) na kraju eksperimenta.
Sirovi podaci GranuCharge-a prikazani su u Tabeli 2 i na Slici 9 (σ je standardna devijacija izračunata iz rezultata testa reproducibilnosti), a rezultati su prikazani kao histogram (prikazani su samo q0 i Δq). SS 316L ima najniže početno punjenje; to može biti zbog činjenice da ovaj proizvod ima najveći PSD. Kada je u pitanju početno punjenje praha primarne aluminijske legure, ne mogu se izvući zaključci zbog veličine grešaka.
Nakon kontakta s cijevi od nehrđajućeg čelika 316L, uzorak A je primio najmanju količinu naboja, dok su prahovi B i C pokazali sličan trend. Ako je prah SS 316L trljan o SS 316L, pronađena je gustoća naboja bliska 0 (vidi triboelektrični niz). Proizvod B je i dalje nabijeniji od proizvoda A. Za uzorak C, trend se nastavlja (pozitivno početno naboje i konačno naboje nakon curenja), ali se broj naboja povećava nakon termičke degradacije.
Nakon 2 sata termičkog naprezanja na 200 °C, ponašanje praha postaje vrlo zanimljivo. U uzorcima A i B, početno naelektrisanje se smanjilo, a konačno naelektrisanje se promijenilo iz negativnog u pozitivno. Prah SS 316L imao je najveće početno naelektrisanje i promjena gustine naelektrisanja postala je pozitivna, ali je ostala niska (tj. 0,033 nC/g).
Istražili smo utjecaj termičke degradacije na kombinirano ponašanje prahova aluminijske legure (AlSi10Mg) i nehrđajućeg čelika 316L, dok su originalni prahovi analizirani nakon 2 sata na 200°C na zraku.
Upotreba prahova na povišenim temperaturama može poboljšati tečnost proizvoda, efekat koji se čini važnijim za prahove sa visokom specifičnom površinom i materijale sa visokom toplotnom provodljivošću. GranuDrum je korišten za procjenu tečenja, GranuPack je korišten za dinamičku analizu pakovanja, a GranuCharge je korišten za analizu triboelektričnosti praha u kontaktu sa cijevi od nehrđajućeg čelika 316L.
Ovi rezultati su određeni korištenjem GranuPacka, koji je pokazao poboljšanje Hausnerovog koeficijenta za svaki prah (s izuzetkom uzorka A, zbog veličine grešaka) nakon procesa termičkog naprezanja. Nije pronađen jasan trend za parametar pakovanja (n1/2) jer su neki proizvodi pokazali povećanje brzine pakovanja, dok su drugi imali kontrastni efekat (npr. uzorci B i C).