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A fabricazione additiva (AM) implica a creazione d'oggetti 3D, un stratu ultra-finu à a volta, ciò chì a rende più cara chè a trasfurmazione tradiziunale. Tuttavia, solu una piccula parte di a polvere hè saldata à u cumpunente durante u prucessu di assemblaggio. U restu ùn si fusiona micca, dunque pò esse riutilizatu. In cuntrastu, se l'oggettu hè creatu in u modu classicu, di solitu richiede fresatura è machinazione per rimuovere u materiale.
E pruprietà di a polvere determinanu i parametri di a macchina è devenu esse pigliate in contu in primu locu. U costu di l'AM ùn saria micca ecunomicu datu chì a polvere micca fusa hè contaminata è micca riciclabile. A degradazione di a polvere provoca dui fenomeni: a mudificazione chimica di u pruduttu è i cambiamenti in e pruprietà meccaniche cum'è a morfologia è a distribuzione di a dimensione di e particelle.
In u primu casu, u compitu principale hè di creà strutture solide chì cuntenenu leghe pure, dunque ci vole à evità a contaminazione di a polvere, per esempiu, cù ossidi o nitruri. In quest'ultimu fenomenu, sti parametri sò assuciati à a fluidità è a spalmabilità. Dunque, ogni cambiamentu in e proprietà di a polvere pò purtà à una distribuzione micca uniforme di u pruduttu.
I dati di publicazioni recenti indicanu chì i flussimetri classici ùn ponu micca furnisce informazioni adeguate nantu à a distribuzione di a polvere in AM basata annantu à u lettu di polvere. In quantu à a caratterizazione di a materia prima (o di a polvere), ci sò parechji metudi di misurazione pertinenti nantu à u mercatu chì ponu suddisfà questu requisitu. U statu di stress è u campu di flussu di polvere devenu esse listessi in a cunfigurazione di misurazione è in u prucessu. A presenza di carichi di compressione hè incompatibile cù u flussu di superficia libera utilizatu in i dispositivi IM in i tester di taglio è i reometri classici.
GranuTools hà sviluppatu un flussu di travagliu per a caratterizazione di a polvere AM. U nostru scopu principale hè di equipà ogni geometria cù un strumentu di simulazione di prucessu precisu, è questu flussu di travagliu hè utilizatu per capisce è seguità l'evoluzione di a qualità di a polvere in diversi prucessi di stampa. Parechje leghe d'aluminiu standard (AlSi10Mg) sò state selezziunate per diverse durate à diverse cariche termiche (da 100 à 200 °C).
A degradazione termica pò esse cuntrullata analizendu a capacità di a polvere d'accumulà una carica elettrica. E polveri sò state analizate per a fluidità (strumentu GranuDrum), a cinetica d'impacchettamentu (strumentu GranuPack) è u cumpurtamentu elettrostaticu (strumentu GranuCharge). E misurazioni di a cuesione è di a cinetica d'impacchettamentu sò adatte per seguità a qualità di a polvere.
E polveri facili da applicà mostreranu indici di coesione bassi, mentre chì e polveri cù dinamiche di riempimentu rapide produrranu parti meccaniche cù una porosità più bassa paragunata à i prudutti più difficiuli da riempie.
Dopu à parechji mesi di almacenamentu in u nostru laburatoriu, sò state selezziunate trè polveri di lega d'aluminiu cù diverse distribuzioni di a dimensione di e particelle (AlSi10Mg) è un campione d'acciaio inox 316L, quì chjamati campioni A, B è C. E proprietà di i campioni ponu differisce da quelle di altri produttori. A distribuzione di a dimensione di e particelle di u campione hè stata misurata per analisi di diffrazione laser/ISO 13320.
Siccomu cuntrolanu i parametri di a macchina, e proprietà di a polvere devenu esse cunsiderate prima, è se e polveri micca fuse sò cunsiderate contaminate è micca riciclabili, allora a fabricazione additiva ùn hè micca cusì ecunomica cum'è si puderebbe sperà. Dunque, trè parametri seranu investigati: u flussu di polvere, a dinamica di imballaggio è l'elettrostatica.
A spalmabilità hè ligata à l'uniformità è a "levezza" di u stratu di polvere dopu l'operazione di rivestimentu. Questu hè assai impurtante postu chì e superfici lisce sò più faciule da stampà è ponu esse esaminate cù u strumentu GranuDrum cù a misurazione di l'indice di adesione.
Siccomu i pori sò punti debuli in un materiale, ponu purtà à crepe. A dinamica di riempimentu hè u secondu parametru chjave postu chì e polveri di riempimentu rapidu furniscenu una bassa porosità. Stu cumpurtamentu hè misuratu cù GranuPack cù un valore di n1/2.
A prisenza di cariche elettriche in a polvere crea forze di cuesione chì portanu à a furmazione d'agglomerati. GranuCharge misura a capacità di e polveri di generà una carica elettrostatica quandu sò in cuntattu cù materiali selezziunati durante u flussu.
Durante u trattamentu, GranuCharge pò prevede u deterioramentu di u flussu, per esempiu, quandu si forma un stratu in AM. Cusì, e misurazioni ottenute sò assai sensibili à u statu di a superficia di u granu (ossidazione, contaminazione è rugosità). L'invecchiamentu di a polvere recuperata pò tandu esse quantificatu accuratamente (± 0,5 nC).
U GranuDrum hè un metudu di misurazione di u flussu di polvere prugrammatu basatu annantu à u principiu di u tamburu rotante. A mità di u campione di polvere hè cuntenutu in un cilindru urizzuntale cù pareti laterali trasparenti. U tamburu gira intornu à u so asse à una velocità angulare da 2 à 60 giri/min, è a camera CCD piglia ritratti (da 30 à 100 imagine à intervalli di 1 secondu). L'interfaccia aria/polvere hè identificata nantu à ogni imagine aduprendu un algoritmu di rilevazione di i bordi.
Calcula a pusizione media di l'interfaccia è l'oscillazioni intornu à sta pusizione media. Per ogni velocità di rotazione, l'angulu di flussu (o "angulu dinamicu di riposu") αf hè calculatu da a pusizione media di l'interfaccia, è u fattore di cuesione dinamica σf assuciatu à u ligame intergranu hè analizatu da e fluttuazioni di l'interfaccia.
L'angulu di flussu hè influenzatu da una quantità di parametri: attritu, forma è cuesione trà e particelle (van der Waals, forze elettrostatiche è capillari). E polveri cuesive risultanu in un flussu intermittente, mentre chì e polveri non viscose risultanu in un flussu regulare. I valori bassi di l'angulu di flussu αf currispondenu à un bon flussu. Un indice di adesione dinamica vicinu à zeru currisponde à una polvere non cuesiva, dunque quandu l'adesione di a polvere aumenta, l'indice di adesione aumenta di cunsiguenza.
GranuDrum permette di misurà u primu angulu di a valanga è l'aerazione di a polvere durante u flussu, è ancu di misurà l'indice di adesione σf è l'angulu di flussu αf secondu a velocità di rotazione.
E misure di densità apparente, densità di picchiettamentu è rapportu Hausner di GranuPack (cunnisciute ancu cum'è "testi di picchiettamentu") sò ideali per a caratterizazione di e polveri per via di a so facilità è velocità di misurazione. A densità di a polvere è a capacità di aumentà a so densità sò parametri impurtanti durante u almacenamentu, u trasportu, l'agglomerazione, ecc. E procedure raccomandate sò descritte in a Farmacopea.
Questa prova simplice hà trè svantaghji maiò. A misurazione dipende da l'operatore, è u metudu di riempimentu affetta u vulume iniziale di a polvere. A misurazione di u vulume tutale pò purtà à errori serii in i risultati. A causa di a simplicità di l'esperimentu, ùn avemu micca pigliatu in contu a dinamica di cumpattazione trà e misurazioni iniziali è finali.
U cumpurtamentu di a polvere alimentata in a surtita cuntinua hè statu analizatu cù apparecchiature automatizate. Misurà accuratamente u cuefficiente Hausner Hr, a densità iniziale ρ(0) è a densità finale ρ(n) dopu à n clicchi.
U numeru di maschiature hè generalmente fissatu à n = 500. U GranuPack hè una misurazione di densità di maschiatura automatizata è avanzata basata annantu à ricerche dinamiche recenti.
Altri indici ponu esse aduprati, ma ùn sò micca furniti quì. A polvere hè piazzata in un tubu metallicu per mezu di un prucessu d'inizializazione automatizatu rigurosu. L'estrapolazione di u parametru dinamicu n1/2 è a densità massima ρ(∞) sò state eliminate da a curva di cumpattazione.
Un cilindru cavu ligeru si trova sopra à u lettu di polvere per mantene l'interfaccia polvere/aria à livellu durante a cumpattazione. U tubu chì cuntene u campione di polvere si alza à un'altezza fissa ΔZ è casca liberamente à un'altezza generalmente fissata à ΔZ = 1 mm o ΔZ = 3 mm, chì hè misurata automaticamente dopu ogni toccu. Calcula u vulume V di a pila da l'altezza.
A densità hè u rapportu trà a massa m è u vulume di u stratu di polvere V. A massa di a polvere m hè cunnisciuta, a densità ρ hè applicata dopu ogni impattu.
U cuefficiente di Hausner Hr hè ligatu à u fattore di cumpattazione è hè analizatu da l'equazione Hr = ρ(500) / ρ(0), induve ρ(0) hè a densità apparente iniziale è ρ(500) hè u flussu calculatu dopu à 500 cicli. Misura di densità. Quandu si usa u metudu GranuPack, i risultati sò riproducibili aduprendu una piccula quantità di polvere (di solitu 35 ml).
E pruprietà di a polvere è e pruprietà di u materiale da quale hè fattu u dispusitivu sò parametri chjave. Durante u flussu, e cariche elettrostatiche sò generate in l'internu di a polvere per via di l'effettu triboelettricu, chì hè u scambiu di cariche quandu dui solidi entranu in cuntattu.
Quandu a polvere scorri in l'apparecchiu, un effettu triboelettricu si verifica à u cuntattu trà e particelle è à u cuntattu trà e particelle è l'apparecchiu.
À u cuntattu cù u materiale sceltu, u GranuCharge misura automaticamente a quantità di carica elettrostatica generata in a polvere durante u flussu. U campione di polvere scorri in u tubu V vibrante è casca in una tazza di Faraday cunnessa à un elettrometru chì misura a carica acquistata mentre a polvere si move in u tubu V. Per risultati riproducibili, aduprate un dispositivu rotante o vibrante per alimentà i tubi V frequentemente.
L'effettu triboelettricu face chì un oggettu guadagni elettroni nantu à a so superficia è cusì diventi caricatu negativamente, mentre chì un altru oggettu perde elettroni è cusì diventa caricatu pusitivamente. Certi materiali guadagnanu elettroni più facilmente chè altri, è in listessu modu, altri materiali perdenu elettroni più facilmente.
Quale materiale diventa negativu è quale diventa pusitivu dipende da a propensione relativa di i materiali implicati à guadagnà o perde elettroni. Per rapprisintà queste tendenze, hè stata sviluppata a serie triboelettrica mostrata in a Tavula 1. I materiali cù una tendenza di carica pusitiva è altri cù una tendenza di carica negativa sò elencati, è i metudi di materiale chì ùn mostranu alcuna tendenza di cumpurtamentu sò elencati in u centru di a tavula.
Da l'altra parte, a tavula furnisce solu infurmazioni nantu à e tendenze in u cumpurtamentu di carica di i materiali, dunque GranuCharge hè statu creatu per furnisce valori numerichi precisi per u cumpurtamentu di carica di e polveri.
Parechji esperimenti sò stati realizati per analizà a decomposizione termica. I campioni sò stati posti à 200 °C per una o duie ore. A polvere hè tandu subitu analizata cù GranuDrum (nome caldu). A polvere hè stata tandu posta in un cuntainer finu à ghjunghje à a temperatura ambiente è tandu analizata cù GranuDrum, GranuPack è GranuCharge (vale à dì "freddu").
I campioni crudi sò stati analizati cù GranuPack, GranuDrum è GranuCharge à a listessa umidità/temperatura ambiente (vale à dì 35,0 ± 1,5% RH è 21,0 ± 1,0 °C di temperatura).
L'indice di cuesione calcula a fluidità di e polveri è si correla cù i cambiamenti in a pusizione di l'interfaccia (polvere/aria), chì hè solu trè forze di cuntattu (van der Waals, forze capillari è elettrostatiche). Prima di l'esperimentu, sò state registrate l'umidità relativa di l'aria (RH, %) è a temperatura (°C). Dopu, a polvere hè stata versata in u tamburu, è l'esperimentu hè cuminciatu.
Avemu cunclusu chì sti prudutti ùn sò micca suscettibili à l'agglomerazione quandu si cunsideranu i parametri tixotropichi. Hè interessante nutà chì u stress termicu hà cambiatu u cumpurtamentu reologicu di e polveri di i campioni A è B da l'ispessimentu di taglio à l'assottigliamentu di taglio. D’altronde, i campioni C è SS 316L ùn sò stati affettati da a temperatura è anu mostratu solu un ispessimentu di taglio. Ogni polvere avia una migliore spalmabilità (vale à dì un indice di cuesione più bassu) dopu u riscaldamentu è u raffreddamentu.
L'effettu di a temperatura dipende ancu da a zona specifica di e particelle. Più alta hè a cunduttività termica di u materiale, più grande hè l'effettu nantu à a temperatura (vale à dì ???225°?=250?.?-1.?-1) è ???316?. 225°?=19?.?-1.?-1) Più chjuca hè a particella, più grande hè l'effettu di a temperatura. E polveri di lega d'aluminiu sò eccellenti per l'applicazioni à alta temperatura per via di a so maggiore spalmabilità, è ancu i campioni raffreddati ottenenu una migliore fluidità cà e polveri originali.
Per ogni esperimentu GranuPack, a massa di a polvere hè stata registrata prima di ogni esperimentu, è u campione hè statu colpitu 500 volte cù una frequenza d'impattu di 1 Hz cù una caduta libera di 1 mm in a cellula di misurazione (energia d'impattu ∝). U campione hè dispensatu in a cellula di misurazione secondu l'istruzzioni di u software indipendente da l'utente. Dopu, e misurazioni sò state ripetute duie volte per valutà a riproducibilità è investigate a media è a deviazione standard.
Dopu chì l'analisi di GranuPack hè cumpletata, a densità apparente iniziale (ρ(0)), a densità apparente finale (à parechji colpi, n = 500, vale à dì ρ(500)), u rapportu Hausner/indice Carr (Hr/Cr) è dui parametri di registrazione (n1/2 è τ) ligati à a cinetica di cumpattazione. A densità ottima ρ(∞) hè ancu mostrata (vede Appendice 1). A tabella sottu ristruttura i dati sperimentali.
E figure 6 è 7 mostranu a curva di cumpattazione generale (densità apparente versus numeru d'impatti) è u rapportu di u parametru n1/2/Hausner. E barre d'errore calculate cù a media sò mostrate nantu à ogni curva, è e deviazioni standard sò state calculate per mezu di testi di ripetibilità.
U pruduttu d'acciaiu inox 316L era u pruduttu u più pesante (ρ(0) = 4,554 g/mL). In termini di densità di maschiatura, SS 316L ferma a polvere a più pesante (ρ(n) = 5,044 g/mL), seguitata da u Campione A (ρ(n) = 1,668 g/mL), seguitata da u Campione B (ρ(n) = 1,668 g/ml). /ml) (n) = 1,645 g/ml). U Campione C era u più bassu (ρ(n) = 1,581 g/mL). Sicondu a densità di massa di a polvere iniziale, vedemu chì u campione A hè u più ligeru, è tenendu contu di l'errori (1,380 g/ml), i campioni B è C anu apprussimatamente u listessu valore.
Quandu a polvere hè riscaldata, u so rapportu Hausner diminuisce, è questu accade solu cù i campioni B, C è SS 316L. Per u campione A, ùn hè statu pussibule di fà questu per via di a dimensione di e barre d'errore. Per n1/2, a suttalineazione di a tendenza parametrica hè più cumplessa. Per u campione A è SS 316L, u valore di n1/2 hè diminuitu dopu à 2 ore à 200°C, mentre chì per e polveri B è C hè aumentatu dopu à u caricamentu termicu.
Un alimentatore vibrante hè statu utilizatu per ogni esperimentu GranuCharge (vede Figura 8). Aduprate tubi d'acciaio inox 316L. E misurazioni sò state ripetute 3 volte per valutà a riproducibilità. U pesu di u pruduttu utilizatu per ogni misurazione era circa 40 ml è nisuna polvere hè stata recuperata dopu a misurazione.
Prima di l'esperimentu, sò stati registrati u pesu di a polvere (mp, g), l'umidità relativa di l'aria (RH, %) è a temperatura (°C). À l'iniziu di a prova, a densità di carica di a polvere primaria (q0 in µC/kg) hè stata misurata piazzendu a polvere in una tazza di Faraday. Infine, a massa di a polvere hè stata fissata è sò state calculate a densità di carica finale (qf, µC/kg) è Δq (Δq = qf – q0) à a fine di l'esperimentu.
I dati grezzi di GranuCharge sò mostrati in a Tavula 2 è in a Figura 9 (σ hè a deviazione standard calculata da i risultati di a prova di riproducibilità), è i risultati sò mostrati cum'è un istogramma (solu q0 è Δq sò mostrati). SS 316L hà a carica iniziale a più bassa; questu pò esse duvutu à u fattu chì stu pruduttu hà a PSD più alta. Quandu si tratta di carica iniziale di polvere di lega d'aluminiu primaria, ùn si ponu trarre cunclusioni per via di a dimensione di l'errori.
Dopu à u cuntattu cù un tubu d'acciaiu inox 316L, u campione A hà ricevutu a quantità minima di carica, mentre chì e polveri B è C anu mostratu una tendenza simile, se a polvere SS 316L hè stata sfregata contr'à SS 316L, hè stata trovata una densità di carica vicina à 0 (vede a serie triboelettrica). U pruduttu B hè sempre più caricu chè A. Per u campione C, a tendenza cuntinueghja (carica iniziale pusitiva è carica finale dopu a perdita), ma u numeru di cariche aumenta dopu a degradazione termica.
Dopu à 2 ore di stress termicu à 200 °C, u cumpurtamentu di a polvere diventa assai interessante. In i campioni A è B, a carica iniziale hè diminuita è a carica finale hè passata da negativa à positiva. A polvere SS 316L avia a carica iniziale più alta è u so cambiamentu di densità di carica hè diventatu pusitivu ma hè restatu bassu (vale à dì 0,033 nC/g).
Avemu investigatu l'effettu di a degradazione termica nantu à u cumpurtamentu cumminatu di e polveri di lega d'aluminiu (AlSi10Mg) è d'acciaiu inox 316L, mentre chì e polveri uriginale sò state analizate dopu à 2 ore à 200°C in aria.
L'usu di polveri à temperature elevate pò migliurà a fluidità di u produttu, un effettu chì pare esse più impurtante per e polveri cù una superficia specifica elevata è i materiali cù una alta conducibilità termica. GranuDrum hè statu utilizatu per valutà u flussu, GranuPack hè statu utilizatu per l'analisi dinamica di l'imballaggio, è GranuCharge hè statu utilizatu per analizà a triboelettricità di a polvere in cuntattu cù un tubu d'acciaio inox 316L.
Questi risultati sò stati determinati cù GranuPack, chì hà mostratu un miglioramentu di u cuefficiente di Hausner per ogni polvere (cù l'eccezzione di u campione A, per via di a dimensione di l'errori) dopu u prucessu di stress termicu. Nisuna tendenza chjara hè stata trovata per u parametru di imballaggio (n1/2) postu chì certi prudutti anu mostratu un aumentu di a velocità di imballaggio mentre chì altri anu avutu un effettu cuntrastante (per esempiu, i campioni B è C).