Kami menggunakan cookie untuk meningkatkan pengalaman Anda. Dengan terus menelusuri situs ini, Anda setuju dengan penggunaan cookie oleh kami. Informasi Tambahan.
Manufaktur aditif (AM) melibatkan pembuatan objek 3D, satu lapisan sangat tipis pada satu waktu, sehingga lebih mahal daripada pemrosesan tradisional. Namun, hanya sebagian kecil bubuk yang dilas ke komponen selama proses perakitan. Sisanya tidak menyatu, sehingga dapat digunakan kembali. Sebaliknya, jika objek dibuat dengan cara klasik, biasanya memerlukan penggilingan dan pemesinan untuk menghilangkan material.
Sifat-sifat bubuk menentukan parameter mesin dan harus diperhitungkan sejak awal. Biaya AM tidak akan ekonomis mengingat bubuk yang tidak dicairkan terkontaminasi dan tidak dapat didaur ulang. Degradasi bubuk mengakibatkan dua fenomena: modifikasi kimia produk dan perubahan sifat mekanis seperti morfologi dan distribusi ukuran partikel.
Dalam kasus pertama, tugas utamanya adalah membuat struktur padat yang mengandung paduan murni, jadi kita perlu menghindari kontaminasi bubuk, misalnya, dengan oksida atau nitrida. Dalam fenomena terakhir, parameter ini dikaitkan dengan fluiditas dan daya sebar. Oleh karena itu, setiap perubahan pada sifat bubuk dapat menyebabkan distribusi produk yang tidak merata.
Data dari publikasi terkini menunjukkan bahwa flowmeter klasik tidak dapat memberikan informasi yang memadai tentang distribusi serbuk dalam AM berdasarkan lapisan serbuk. Mengenai karakterisasi bahan baku (atau serbuk), ada beberapa metode pengukuran relevan di pasaran yang dapat memenuhi persyaratan ini. Keadaan tegangan dan medan aliran serbuk harus sama dalam pengaturan pengukuran dan dalam proses. Keberadaan beban tekan tidak sesuai dengan aliran permukaan bebas yang digunakan dalam perangkat IM dalam penguji geser dan rheometer klasik.
GranuTools telah mengembangkan alur kerja untuk mengkarakterisasi bubuk AM. Sasaran utama kami adalah melengkapi setiap geometri dengan alat simulasi proses yang akurat, dan alur kerja ini digunakan untuk memahami dan melacak evolusi kualitas bubuk dalam berbagai proses pencetakan. Beberapa paduan aluminium standar (AlSi10Mg) dipilih untuk durasi yang berbeda pada beban termal yang berbeda (dari 100 hingga 200 °C).
Degradasi termal dapat dikontrol dengan menganalisis kemampuan serbuk untuk mengakumulasi muatan listrik. Serbuk dianalisis untuk mengetahui kemampuan alir (instrumen GranuDrum), kinetika pengemasan (instrumen GranuPack), dan perilaku elektrostatik (instrumen GranuCharge). Pengukuran kohesi dan kinetika pengemasan cocok untuk melacak kualitas serbuk.
Bubuk yang mudah diaplikasikan akan menunjukkan indeks kohesi yang rendah, sementara bubuk dengan dinamika pengisian cepat akan menghasilkan komponen mekanis dengan porositas lebih rendah dibandingkan dengan produk yang lebih sulit diisi.
Setelah beberapa bulan disimpan di laboratorium kami, tiga serbuk paduan aluminium dengan distribusi ukuran partikel yang berbeda (AlSi10Mg) dan satu sampel baja tahan karat 316L dipilih, yang di sini disebut sebagai sampel A, B, dan C. Sifat sampel mungkin berbeda dari produsen lain. Distribusi ukuran partikel sampel diukur dengan analisis difraksi laser/ISO 13320.
Karena mereka mengendalikan parameter mesin, sifat bubuk harus dipertimbangkan terlebih dahulu, dan jika bubuk yang tidak dicairkan dianggap terkontaminasi dan tidak dapat didaur ulang, maka produksi aditif tidak sehemat yang diharapkan. Oleh karena itu, tiga parameter akan diselidiki: aliran bubuk, dinamika pengepakan, dan elektrostatik.
Daya sebar berkaitan dengan keseragaman dan "kehalusan" lapisan serbuk setelah operasi pelapisan ulang. Hal ini sangat penting karena permukaan yang halus lebih mudah dicetak dan dapat diperiksa dengan alat GranuDrum dengan pengukuran indeks adhesi.
Karena pori-pori merupakan titik lemah dalam suatu material, pori-pori dapat menyebabkan keretakan. Dinamika pengisian merupakan parameter kunci kedua karena serbuk pengisian cepat menghasilkan porositas rendah. Perilaku ini diukur dengan GranuPack dengan nilai n1/2.
Kehadiran muatan listrik dalam bubuk menciptakan gaya kohesif yang menyebabkan terbentuknya gumpalan. GranuCharge mengukur kemampuan bubuk untuk menghasilkan muatan elektrostatik saat bersentuhan dengan bahan tertentu selama aliran.
Selama pemrosesan, GranuCharge dapat memprediksi penurunan aliran, misalnya, saat membentuk lapisan di AM. Dengan demikian, pengukuran yang diperoleh sangat sensitif terhadap keadaan permukaan butiran (oksidasi, kontaminasi, dan kekasaran). Penuaan bubuk yang dipulihkan kemudian dapat diukur secara akurat (±0,5 nC).
GranuDrum adalah metode pengukuran aliran serbuk terprogram yang didasarkan pada prinsip drum berputar. Setengah dari sampel serbuk ditampung dalam silinder horizontal dengan dinding samping transparan. Drum berputar di sekitar porosnya pada kecepatan sudut 2 hingga 60 rpm, dan kamera CCD mengambil gambar (dari 30 hingga 100 gambar pada interval 1 detik). Antarmuka udara/serbuk diidentifikasi pada setiap gambar menggunakan algoritma deteksi tepi.
Hitung posisi rata-rata antarmuka dan osilasi di sekitar posisi rata-rata ini. Untuk setiap kecepatan putaran, sudut aliran (atau "sudut diam dinamis") αf dihitung dari posisi antarmuka rata-rata, dan faktor kohesi dinamis σf yang terkait dengan ikatan antarbutir dianalisis dari fluktuasi antarmuka.
Sudut aliran dipengaruhi oleh sejumlah parameter: gesekan, bentuk, dan kohesi antar partikel (gaya van der Waals, elektrostatik, dan kapiler). Serbuk yang kohesif menghasilkan aliran terputus-putus, sedangkan serbuk yang tidak kental menghasilkan aliran teratur. Nilai sudut aliran αf yang rendah menunjukkan aliran yang baik. Indeks adhesi dinamis yang mendekati nol menunjukkan serbuk yang tidak kohesif, sehingga ketika adhesi serbuk meningkat, indeks adhesi juga meningkat.
GranuDrum memungkinkan Anda mengukur sudut pertama longsoran dan aerasi bubuk selama aliran, serta mengukur indeks adhesi σf dan sudut aliran αf tergantung pada kecepatan putaran.
Pengukuran kerapatan curah, kerapatan penyadapan, dan rasio Hausner (juga dikenal sebagai "uji penyadapan") GranuPack ideal untuk karakterisasi bubuk karena kemudahan dan kecepatan pengukurannya. Kepadatan bubuk dan kemampuan untuk meningkatkan kepadatannya merupakan parameter penting selama penyimpanan, pengangkutan, penggumpalan, dll. Prosedur yang direkomendasikan diuraikan dalam Farmakope.
Uji sederhana ini memiliki tiga kelemahan utama. Pengukuran bergantung pada operator, dan metode pengisian memengaruhi volume awal serbuk. Mengukur volume total dapat menyebabkan kesalahan serius pada hasil. Karena kesederhanaan percobaan, kami tidak memperhitungkan dinamika pemadatan antara pengukuran awal dan akhir.
Perilaku serbuk yang dimasukkan ke dalam saluran keluar kontinu dianalisis menggunakan peralatan otomatis. Ukur secara akurat koefisien Hausner Hr, kerapatan awal ρ(0) dan kerapatan akhir ρ(n) setelah n klik.
Jumlah keran biasanya ditetapkan pada n=500. GranuPack adalah alat ukur kepadatan keran otomatis dan canggih yang didasarkan pada penelitian dinamis terkini.
Indeks lain dapat digunakan, tetapi tidak disediakan di sini. Serbuk ditempatkan ke dalam tabung logam melalui proses inisialisasi otomatis yang ketat. Ekstrapolasi parameter dinamis n1/2 dan kerapatan maksimum ρ(∞) telah dihapus dari kurva pemadatan.
Silinder berongga yang ringan diletakkan di atas lapisan serbuk untuk menjaga agar permukaan serbuk/udara tetap rata selama pemadatan. Tabung yang berisi sampel serbuk naik ke ketinggian tetap ΔZ dan jatuh bebas pada ketinggian yang biasanya ditetapkan pada ΔZ = 1 mm atau ΔZ = 3 mm, yang diukur secara otomatis setelah setiap sentuhan. Hitung volume V tumpukan dari ketinggian tersebut.
Kepadatan adalah rasio antara massa m terhadap volume lapisan serbuk V. Massa serbuk m diketahui, kepadatan ρ diterapkan setelah setiap tumbukan.
Koefisien Hausner Hr terkait dengan faktor pemadatan dan dianalisis dengan persamaan Hr = ρ(500) / ρ(0), di mana ρ(0) adalah kerapatan awal dan ρ(500) adalah aliran yang dihitung setelah 500 siklus. Keran kerapatan. Saat menggunakan metode GranuPack, hasilnya dapat direproduksi menggunakan sejumlah kecil bubuk (biasanya 35 ml).
Sifat serbuk dan sifat bahan pembuat perangkat merupakan parameter utama. Selama aliran, muatan elektrostatik dihasilkan di dalam serbuk karena efek triboelektrik, yaitu pertukaran muatan saat dua benda padat bersentuhan.
Ketika serbuk mengalir di dalam perangkat, efek triboelektrik terjadi pada kontak antara partikel dan pada kontak antara partikel dan perangkat.
Setelah bersentuhan dengan material yang dipilih, GranuCharge secara otomatis mengukur jumlah muatan elektrostatik yang dihasilkan di dalam bubuk selama aliran. Sampel bubuk mengalir di dalam tabung-V yang bergetar dan jatuh ke dalam cangkir Faraday yang terhubung ke elektrometer yang mengukur muatan yang diperoleh saat bubuk bergerak di dalam tabung-V. Untuk hasil yang dapat direproduksi, gunakan perangkat yang berputar atau bergetar untuk mengisi tabung-V secara berkala.
Efek triboelektrik menyebabkan satu objek memperoleh elektron pada permukaannya dan dengan demikian menjadi bermuatan negatif, sementara objek lain kehilangan elektron dan dengan demikian menjadi bermuatan positif. Beberapa material memperoleh elektron lebih mudah daripada yang lain, dan demikian pula, material lain kehilangan elektron lebih mudah.
Material mana yang menjadi negatif dan mana yang menjadi positif bergantung pada kecenderungan relatif material yang terlibat untuk memperoleh atau kehilangan elektron. Untuk menggambarkan tren ini, dikembangkan deret triboelektrik yang ditunjukkan pada Tabel 1. Material dengan tren muatan positif dan material lain dengan tren muatan negatif dicantumkan, dan metode material yang tidak menunjukkan tren perilaku apa pun dicantumkan di bagian tengah tabel.
Di sisi lain, tabel hanya menyediakan informasi tentang tren perilaku pengisian daya material, jadi GranuCharge diciptakan untuk memberikan nilai numerik yang akurat untuk perilaku pengisian daya bubuk.
Beberapa percobaan dilakukan untuk menganalisis dekomposisi termal. Sampel ditempatkan pada suhu 200°C selama satu hingga dua jam. Serbuk tersebut kemudian segera dianalisis dengan GranuDrum (nama panas). Serbuk tersebut kemudian ditempatkan dalam wadah hingga mencapai suhu sekitar dan kemudian dianalisis menggunakan GranuDrum, GranuPack, dan GranuCharge (yaitu "dingin").
Sampel mentah dianalisis menggunakan GranuPack, GranuDrum dan GranuCharge pada kelembapan/suhu ruangan yang sama (yaitu 35,0 ± 1,5% RH dan suhu 21,0 ± 1,0 °C).
Indeks kohesi menghitung daya alir serbuk dan berkorelasi dengan perubahan posisi antarmuka (serbuk/udara), yang hanya terdiri dari tiga gaya kontak (gaya van der Waals, kapiler, dan elektrostatik). Sebelum percobaan, kelembaban udara relatif (RH, %) dan suhu (°C) dicatat. Kemudian serbuk dituangkan ke dalam drum, dan percobaan dimulai.
Kami menyimpulkan bahwa produk-produk ini tidak rentan terhadap penggumpalan ketika mempertimbangkan parameter tixotropik. Menariknya, tekanan termal mengubah perilaku reologi serbuk sampel A dan B dari penebalan geser menjadi penipisan geser. Di sisi lain, Sampel C dan SS 316L tidak terpengaruh oleh suhu dan hanya menunjukkan penebalan geser. Setiap serbuk memiliki daya sebar yang lebih baik (yaitu indeks kohesi yang lebih rendah) setelah pemanasan dan pendinginan.
Efek suhu juga bergantung pada luas spesifik partikel. Semakin tinggi konduktivitas termal material, semakin besar efek pada suhu (yaitu ???225°?=250?.?-1.?-1) dan ???316?. 225°?=19?.?-1.?-1) Semakin kecil partikel, semakin besar efek suhu. Serbuk paduan aluminium sangat baik untuk aplikasi suhu tinggi karena daya sebarnya yang meningkat, dan bahkan spesimen yang didinginkan mencapai daya alir yang lebih baik daripada serbuk asli.
Untuk setiap percobaan GranuPack, massa serbuk dicatat sebelum setiap percobaan, dan sampel dipukul 500 kali dengan frekuensi tumbukan 1 Hz dengan jatuh bebas 1 mm di dalam sel pengukur (energi tumbukan ∝). Sampel dimasukkan ke dalam sel pengukur sesuai dengan instruksi perangkat lunak yang tidak bergantung pada pengguna. Kemudian pengukuran diulang dua kali untuk menilai reproduktifitas dan menyelidiki nilai rata-rata dan simpangan baku.
Setelah analisis GranuPack selesai, kerapatan massal awal (ρ(0)), kerapatan massal akhir (pada beberapa keran, n = 500, yaitu ρ(500)), rasio Hausner/indeks Carr (Hr/Cr) dan dua parameter registrasi (n1/2 dan τ) terkait dengan kinetika pemadatan. Kepadatan optimal ρ(∞) juga ditunjukkan (lihat Lampiran 1). Tabel di bawah ini menyusun ulang data eksperimen.
Gambar 6 dan 7 menunjukkan kurva pemadatan keseluruhan (kepadatan massal versus jumlah tumbukan) dan rasio parameter n1/2/Hausner. Batang kesalahan yang dihitung menggunakan rata-rata ditunjukkan pada setiap kurva, dan simpangan baku dihitung dengan pengujian pengulangan.
Produk baja tahan karat 316L adalah produk terberat (ρ(0) = 4,554 g/mL). Dalam hal kepadatan sadapan, SS 316L tetap menjadi bubuk terberat (ρ(n) = 5,044 g/mL), diikuti oleh Sampel A (ρ(n) = 1,668 g/mL), diikuti oleh Sampel B (ρ(n) = 1,668 g/ml). /ml) (n) = 1,645 g/ml). Sampel C adalah yang terendah (ρ(n) = 1,581 g/mL). Menurut kepadatan massal bubuk awal, kita melihat bahwa sampel A adalah yang paling ringan, dan dengan mempertimbangkan kesalahan (1,380 g / ml), sampel B dan C memiliki nilai yang kira-kira sama.
Saat bubuk dipanaskan, rasio Hausner-nya menurun, dan ini hanya terjadi pada sampel B, C, dan SS 316L. Untuk sampel A, hal itu tidak mungkin dilakukan karena ukuran batang kesalahan. Untuk n1/2, garis bawah tren parametrik lebih rumit. Untuk sampel A dan SS 316L, nilai n1/2 menurun setelah 2 jam pada suhu 200°C, sedangkan untuk bubuk B dan C meningkat setelah pembebanan termal.
Pengumpan bergetar digunakan untuk setiap percobaan GranuCharge (lihat Gambar 8). Gunakan pipa baja tahan karat 316L. Pengukuran diulang 3 kali untuk menilai reproduktifitas. Berat produk yang digunakan untuk setiap pengukuran adalah sekitar 40 ml dan tidak ada bubuk yang diperoleh kembali setelah pengukuran.
Sebelum percobaan, berat serbuk (mp, g), kelembaban udara relatif (RH, %), dan suhu (°C) dicatat. Pada awal pengujian, kerapatan muatan serbuk primer (q0 dalam µC/kg) diukur dengan menempatkan serbuk dalam cawan Faraday. Akhirnya, massa serbuk ditetapkan dan kerapatan muatan akhir (qf, µC/kg) dan Δq (Δq = qf – q0) pada akhir percobaan dihitung.
Data mentah GranuCharge ditunjukkan pada Tabel 2 dan Gambar 9 (σ adalah simpangan baku yang dihitung dari hasil uji reproduktifitas), dan hasilnya ditunjukkan sebagai histogram (hanya q0 dan Δq yang ditampilkan). SS 316L memiliki muatan awal terendah; hal ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa produk ini memiliki PSD tertinggi. Dalam hal pemuatan awal bubuk paduan aluminium primer, tidak ada kesimpulan yang dapat diambil karena besarnya kesalahan.
Setelah kontak dengan pipa baja tahan karat 316L, sampel A menerima jumlah muatan paling sedikit, sedangkan serbuk B dan C menunjukkan tren yang sama, jika serbuk SS 316L digosokkan pada SS 316L, ditemukan kerapatan muatan mendekati 0 (lihat seri triboelektrik). Produk B masih lebih bermuatan daripada A. Untuk sampel C, tren berlanjut (muatan awal positif dan muatan akhir setelah kebocoran), tetapi jumlah muatan meningkat setelah degradasi termal.
Setelah 2 jam tekanan termal pada suhu 200 °C, perilaku serbuk menjadi sangat menarik. Pada sampel A dan B, muatan awal menurun dan muatan akhir bergeser dari negatif ke positif. Serbuk SS 316L memiliki muatan awal tertinggi dan perubahan kerapatan muatannya menjadi positif tetapi tetap rendah (yaitu 0,033 nC/g).
Kami menyelidiki efek degradasi termal pada perilaku gabungan serbuk paduan aluminium (AlSi10Mg) dan baja tahan karat 316L, sementara serbuk asli dianalisis setelah 2 jam pada suhu 200°C di udara.
Penggunaan serbuk pada suhu tinggi dapat meningkatkan daya alir produk, efek yang tampaknya lebih penting untuk serbuk dengan luas spesifik tinggi dan material dengan konduktivitas termal tinggi. GranuDrum digunakan untuk mengevaluasi aliran, GranuPack digunakan untuk analisis pengepakan dinamis, dan GranuCharge digunakan untuk menganalisis triboelektrik serbuk yang bersentuhan dengan pipa baja tahan karat 316L.
Hasil ini ditentukan menggunakan GranuPack, yang menunjukkan peningkatan koefisien Hausner untuk setiap bubuk (dengan pengecualian sampel A, karena ukuran kesalahan) setelah proses tekanan termal. Tidak ditemukan tren yang jelas untuk parameter pengemasan (n1/2) karena beberapa produk menunjukkan peningkatan kecepatan pengemasan sementara yang lain memiliki efek yang kontras (misalnya Sampel B dan C).