التحلل الحراري للمساحيق المعدنية المستخدمة في التصنيع الإضافي: التأثيرات على قابلية الانتشار وديناميكيات التعبئة والكهرباء الساكنة

نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتحسين تجربتك.من خلال الاستمرار في تصفح هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط.معلومات إضافية.
يتضمن التصنيع الإضافي (AM) إنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد، طبقة رقيقة جدًا في كل مرة، مما يجعله أكثر تكلفة من الآلات التقليدية.ومع ذلك، يتم لحام جزء صغير فقط من المسحوق المتراكم أثناء عملية التجميع في المكون.والباقي لا يذوب، لذلك يمكن إعادة استخدامه.في المقابل، إذا تم إنشاء الكائن بشكل كلاسيكي، فعادةً ما تكون إزالة المواد عن طريق الطحن والتشغيل الآلي مطلوبة.
تحدد خصائص المسحوق معلمات الماكينة ويجب أخذها في الاعتبار أولاً.ستكون تكلفة AM غير اقتصادية نظرًا لأن المسحوق غير المنصهر ملوث وغير قابل لإعادة التدوير.يؤدي تلف المساحيق إلى ظاهرتين: التعديل الكيميائي للمنتج والتغيرات في الخواص الميكانيكية مثل الشكل وتوزيع حجم الجسيمات.
في الحالة الأولى، تتمثل المهمة الرئيسية في إنشاء هياكل صلبة تحتوي على سبائك نقية، لذلك نحتاج إلى تجنب تلوث المسحوق، على سبيل المثال، بالأكاسيد أو النتريدات.وفي الحالة الأخيرة، ترتبط هذه المعلمات بالسيولة وقابلية الانتشار.ولذلك فإن أي تغيير في خصائص المسحوق يمكن أن يؤدي إلى توزيع غير منتظم للمنتج.
تشير البيانات المستمدة من المنشورات الحديثة إلى أن مقاييس التدفق الكلاسيكية لا يمكنها توفير معلومات كافية عن قابلية سيولة المسحوق في إنتاج مضافات طبقة المسحوق.فيما يتعلق بتوصيف المواد الخام (أو المساحيق)، هناك العديد من طرق القياس المناسبة في السوق التي يمكنها تلبية هذا المطلب.يجب أن تكون حالة الإجهاد ومجال تدفق المسحوق متماثلين في خلية القياس وفي العملية.إن وجود الأحمال الانضغاطية غير متوافق مع التدفق السطحي الحر المستخدم في أجهزة AM في أجهزة اختبار خلايا القص وأجهزة قياس الجريان الكلاسيكية.
قامت شركة GranuTools بتطوير سير عمل لتوصيف المسحوق في التصنيع الإضافي.كان هدفنا الرئيسي هو الحصول على أداة واحدة لكل شكل هندسي لنمذجة عملية دقيقة، وتم استخدام سير العمل هذا لفهم وتتبع تطور جودة المسحوق عبر عمليات طباعة متعددة.تم اختيار العديد من سبائك الألومنيوم القياسية (AlSi10Mg) لفترات مختلفة عند أحمال حرارية مختلفة (من 100 إلى 200 درجة مئوية).
يمكن التحكم في التدهور الحراري من خلال تحليل قدرة المسحوق على تخزين الشحنة.تم تحليل المساحيق من حيث قابلية التدفق (أداة GranuDrum)، وحركية التعبئة (أداة GranuPack)، والسلوك الكهروستاتيكي (أداة GranuCharge).تتوفر قياسات حركية التماسك والتعبئة لكتل ​​المسحوق التالية.
المساحيق التي تنتشر بسهولة ستشهد مؤشر تماسك منخفض، في حين أن المساحيق ذات ديناميكيات التعبئة السريعة ستنتج أجزاء ميكانيكية ذات مسامية أقل مقارنة بالمنتجات التي يصعب تعبئتها.
تم اختيار ثلاثة مساحيق من سبائك الألومنيوم (AlSi10Mg) مخزنة في مختبرنا لعدة أشهر، مع توزيعات مختلفة لحجم الجسيمات، وعينة واحدة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، والمشار إليها هنا بالعينات A وB وC.قد تختلف خصائص العينات عن غيرها.الشركات المصنعة.تم قياس توزيع حجم جسيم العينة بواسطة تحليل حيود الليزر/ISO 13320.
نظرًا لأنهم يتحكمون في معلمات الآلة، فيجب مراعاة خصائص المسحوق أولاً، وإذا اعتبرنا المسحوق غير المذاب ملوثًا وغير قابل لإعادة التدوير، فإن تكلفة التصنيع الإضافي لن تكون اقتصادية كما نرغب.ولذلك، سيتم دراسة ثلاثة عوامل: تدفق المسحوق، وحركية التعبئة والكهرباء الساكنة.
ترتبط قابلية الانتشار بتوحيد و"نعومة" طبقة المسحوق بعد عملية إعادة الطلاء.يعد هذا أمرًا مهمًا جدًا لأن الأسطح الملساء تكون أسهل في الطباعة ويمكن فحصها باستخدام أداة GranuDrum مع قياس مؤشر الالتصاق.
لأن المسام هي نقاط ضعف في المادة، فإنها يمكن أن تؤدي إلى الشقوق.ديناميات التعبئة هي المعلمة الحاسمة الثانية لأن مساحيق التعبئة السريعة لها مسامية منخفضة.تم قياس هذا السلوك باستخدام GranuPack بقيمة n1/2.
إن وجود شحنة كهربائية في المسحوق يخلق قوى متماسكة تؤدي إلى تكوين التكتلات.يقيس GranuCharge قدرة المسحوق على توليد شحنة كهروستاتيكية عند ملامسته لمادة مختارة أثناء التدفق.
أثناء المعالجة، يمكن لـ GranuCharge التنبؤ بتدهور التدفق، مثل تكوين الطبقة في AM.وبالتالي، فإن القياسات التي تم الحصول عليها حساسة للغاية لحالة سطح الحبوب (الأكسدة والتلوث والخشونة).يمكن بعد ذلك قياس عمر المسحوق المسترد بدقة (±0.5 nC).
يعتمد GranuDrum على مبدأ الأسطوانة الدوارة وهو طريقة مبرمجة لقياس قابلية تدفق المسحوق.تحتوي أسطوانة أفقية ذات جدران جانبية شفافة على نصف عينة المسحوق.تدور الأسطوانة حول محورها بسرعة زاوية تتراوح من 2 إلى 60 دورة في الدقيقة، وتلتقط كاميرا CCD صورًا (من 30 إلى 100 صورة بفواصل زمنية مدتها ثانية واحدة).يتم تحديد واجهة الهواء/المسحوق في كل صورة باستخدام خوارزمية اكتشاف الحافة.
احسب متوسط ​​موضع الواجهة والتذبذبات حول هذا الموضع المتوسط.بالنسبة لكل سرعة دوران، يتم حساب زاوية التدفق (أو "زاوية الراحة الديناميكية") αf من موضع الواجهة المتوسط، ويتم تحليل مؤشر الالتصاق الديناميكي σf، الذي يشير إلى الترابط بين الجسيمات، من تقلبات الواجهة.
تتأثر زاوية التدفق بعدد من العوامل: الاحتكاك بين الجزيئات، والشكل والتماسك (فان دير فال، والقوى الكهروستاتيكية والقوى الشعرية).تؤدي المساحيق المتماسكة إلى تدفق متقطع، بينما تؤدي المساحيق غير المتماسكة إلى تدفق منتظم.تتوافق القيم الأصغر لزاوية التدفق αf مع خصائص التدفق الجيدة.يتوافق مؤشر الالتصاق الديناميكي القريب من الصفر مع مسحوق غير متماسك، وبالتالي، مع زيادة التصاق المسحوق، يزداد مؤشر الالتصاق وفقًا لذلك.
يتيح لك GranuDrum قياس زاوية الانهيار الجليدي الأول وتهوية المسحوق أثناء التدفق، بالإضافة إلى قياس مؤشر الالتصاق σf وزاوية التدفق αf اعتمادًا على سرعة الدوران.
تحظى قياسات الكثافة الظاهرية لـ GranuPack وكثافة التنصت وقياسات نسبة Hausner (وتسمى أيضًا "اختبارات اللمس") بشعبية كبيرة في توصيف المسحوق بسبب سهولة وسرعة القياس.تعد كثافة المسحوق والقدرة على زيادة كثافته من العوامل المهمة أثناء التخزين والنقل والتكتل وما إلى ذلك. ويرد وصف الإجراء الموصى به في دستور الأدوية.
هذا الاختبار البسيط له ثلاثة عيوب رئيسية.تعتمد القياسات على المشغل وتؤثر طريقة التعبئة على حجم المسحوق الأولي.يمكن أن تؤدي القياسات المرئية للحجم إلى أخطاء خطيرة في النتائج.ونظراً لبساطة التجربة، فقد أهملنا ديناميكيات الضغط بين الأبعاد الأولية والنهائية.
تم تحليل سلوك المسحوق الذي يتم تغذيته في المنفذ المستمر باستخدام معدات آلية.قم بقياس معامل Hausner Hr والكثافة الأولية ρ(0) والكثافة النهائية ρ(n) بعد النقرات n بدقة.
عادةً ما يتم تحديد عدد الصنابير عند n = 500.GranuPack عبارة عن قياس آلي ومتقدم لكثافة النقر استنادًا إلى أحدث الأبحاث الديناميكية.
يمكن استخدام فهارس أخرى، لكن لم يتم سردها هنا.يتم وضع المسحوق في أنابيب معدنية ويخضع لعملية تهيئة تلقائية صارمة.يتم استقراء المعلمة الديناميكية n1/2 والكثافة القصوى ρ(∞) من منحنى الضغط.
توجد أسطوانة مجوفة خفيفة الوزن أعلى طبقة المسحوق للحفاظ على مستوى واجهة المسحوق/الهواء أثناء الضغط.يرتفع الأنبوب الذي يحتوي على عينة المسحوق إلى ارتفاع ثابت ∆Z ثم يسقط بحرية إلى ارتفاع، عادةً ما يكون ثابتًا عند ∆Z = 1 مم أو ∆Z = 3 مم، ويتم قياسه تلقائيًا بعد كل ارتطام.حسب الارتفاع، يمكنك حساب الحجم V للكومة.
الكثافة هي نسبة الكتلة m إلى الحجم V لطبقة المسحوق.كتلة المسحوق m معروفة، ويتم تطبيق الكثافة ρ بعد كل إصدار.
يرتبط معامل Hausner Hr بمعدل الضغط ويتم تحليله بواسطة المعادلة Hr = ρ(500) / ρ(0)، حيث ρ(0) هي الكثافة الظاهرية الأولية و ρ(500) هي كثافة الصنبور المحسوبة بعد 500 الصنابير.النتائج قابلة للتكرار مع كمية صغيرة من المسحوق (عادة 35 مل) باستخدام طريقة GranuPack.
تعتبر خصائص المسحوق وطبيعة المادة التي صنع منها الجهاز من المعالم الرئيسية.أثناء التدفق، تتولد شحنات كهروستاتيكية داخل المسحوق، وتنتج هذه الشحنات عن التأثير الكهربائي الاحتكاكي، وهو تبادل الشحنات عندما تتلامس مادتان صلبتان.
عندما يتدفق المسحوق داخل الجهاز، تحدث تأثيرات الاحتكاك الكهربائي عند التلامس بين الجسيمات وعند التلامس بين الجسيم والجهاز.
عند ملامسة المادة المحددة، يقوم GranuCharge تلقائيًا بقياس كمية الشحنة الكهروستاتيكية المتولدة داخل المسحوق أثناء التدفق.تتدفق عينة من المسحوق في أنبوب على شكل حرف V مهتز وتسقط في كوب فاراداي متصل بمقياس كهربائي يقيس الشحنة التي يكتسبها المسحوق أثناء تحركه عبر الأنبوب على شكل حرف V.للحصول على نتائج قابلة للتكرار، قم بتغذية الأنبوب V بشكل متكرر باستخدام جهاز دوار أو اهتزاز.
يؤدي التأثير الكهربائي الاحتكاكي إلى اكتساب جسم واحد إلكترونات على سطحه وبالتالي يصبح مشحونًا بشحنة سالبة، بينما يفقد جسم آخر إلكترونات وبالتالي يكون مشحونًا بشحنة موجبة.تكتسب بعض المواد الإلكترونات بسهولة أكبر من غيرها، وبالمثل، تفقد المواد الأخرى الإلكترونات بسهولة أكبر.
تعتمد المادة التي تصبح سالبة وأيها موجبة على الميل النسبي للمواد المعنية لاكتساب أو فقدان الإلكترونات.لتمثيل هذه الاتجاهات، تم تطوير سلسلة كهرباء الاحتكاك الموضحة في الجدول 1.يتم إدراج المواد التي تميل إلى الشحنة الموجبة والمواد الأخرى التي تميل إلى الشحنة السالبة، بينما يتم إدراج المواد التي لا تظهر ميولًا سلوكية في منتصف الجدول.
من ناحية أخرى، يوفر هذا الجدول فقط معلومات عن اتجاه سلوك شحنة المواد، لذلك تم إنشاء GranuCharge لتوفير قيم دقيقة لسلوك شحنة المسحوق.
تم إجراء العديد من التجارب لتحليل التحلل الحراري.تُترك العينات عند درجة حرارة 200 درجة مئوية لمدة ساعة إلى ساعتين.يتم بعد ذلك تحليل المسحوق على الفور باستخدام GranuDrum (الاسم الحراري).يتم بعد ذلك وضع المسحوق في حاوية حتى يصل إلى درجة الحرارة المحيطة ثم يتم تحليله باستخدام GranuDrum وGranuPack وGranuCharge (أي "بارد").
تم تحليل العينات الخام باستخدام GranuPack وGranuDrum وGranuCharge عند نفس الرطوبة/درجة حرارة الغرفة، أي الرطوبة النسبية 35.0 ± 1.5% ودرجة الحرارة 21.0 ± 1.0 درجة مئوية.
يحسب مؤشر التماسك سيولة المسحوق ويرتبط بالتغيرات في موضع الواجهة (المسحوق/الهواء)، والتي تعكس ثلاث قوى اتصال فقط (فان دير فالس، والشعيرات الدموية، والكهرباء الساكنة).قبل التجربة، سجل الرطوبة النسبية (RH، %) ودرجة الحرارة (درجة مئوية).ثم صب المسحوق في حاوية الأسطوانة وابدأ التجربة.
لقد خلصنا إلى أن هذه المنتجات لم تكن حساسة للتكتل عند النظر في المعلمات المتغيرة الانسيابية.ومن المثير للاهتمام أن الإجهاد الحراري غيّر السلوك الريولوجي لمساحيق العينات A وB من سماكة القص إلى ترقق القص.من ناحية أخرى، لم تتأثر العينات C وSS 316L بدرجة الحرارة وأظهرت فقط سماكة القص.أظهر كل مسحوق قابلية انتشار أفضل (أي مؤشر تماسك أقل) بعد التسخين والتبريد.
يعتمد تأثير درجة الحرارة أيضًا على المساحة السطحية المحددة للجزيئات.كلما زادت الموصلية الحرارية للمادة، زاد التأثير على درجة الحرارة (أي ???225°؟=250?.?-1.?-1) و316?225°?=19?.?-1.?-1)، كلما كانت الجزيئات أصغر، كلما كان تأثير درجة الحرارة أكثر أهمية.يعد العمل في درجات حرارة مرتفعة خيارًا جيدًا لمساحيق سبائك الألومنيوم نظرًا لزيادة قابليتها للانتشار، وتحقق العينات المبردة قابلية سيولة أفضل مقارنة بالمساحيق الأصلية.
لكل تجربة GranuPack، تم تسجيل وزن المسحوق قبل كل تجربة، وتم تعريض العينة إلى 500 ارتطام بتردد تصادم قدره 1 هرتز مع سقوط حر لخلية القياس بمقدار 1 مم (طاقة الاصطدام ∝).يتم توزيع العينات في خلايا القياس وفقًا لتعليمات البرنامج المستقلة عن المستخدم.ثم تكررت القياسات مرتين لتقييم التكاثر وفحص المتوسط ​​والانحراف المعياري.
بعد اكتمال تحليل GranuPack، تم تسجيل كثافة التعبئة الأولية (ρ(0)) وكثافة التعبئة النهائية (عند عدة نقرات، n = 500، أي ρ(500)) ونسبة Hausner/مؤشر Carr (Hr/Cr) واثنين مسجلين المعلمات (n1/2 و τ) المتعلقة بديناميكيات الضغط.تظهر أيضًا الكثافة المثلى ρ(∞) (انظر الملحق 1).الجدول أدناه يعيد تنظيم البيانات التجريبية.
يوضح الشكلان 6 و7 منحنيات الضغط الإجمالية (الكثافة الظاهرية مقابل عدد التأثيرات) ونسبة المعلمة n1/2/Hausner.تظهر أشرطة الخطأ المحسوبة باستخدام المتوسطات على كل منحنى، وتم حساب الانحرافات المعيارية من اختبارات التكرار.
كان منتج الفولاذ المقاوم للصدأ 316L هو المنتج الأثقل (ρ(0) = 4.554 جم/مل).من حيث كثافة التنصت، لا يزال SS 316L هو أثقل مسحوق (ρ(n) = 5.044 جم/مل)، تليها العينة A (ρ(n) = 1.668 جم/مل)، تليها العينة B (ρ (n) = 1.668 جم/مل) (ن) = 1.645 جم/مل).كانت العينة C هي الأدنى (ρ(n) = 1.581 جم/مل).وفقًا للكثافة الظاهرية للمسحوق الأولي، نرى أن العينة A هي الأخف وزنًا، ومع الأخذ في الاعتبار الخطأ (1.380 جم / مل)، فإن العينات B وC لها نفس القيمة تقريبًا.
عندما يتم تسخين المسحوق، تنخفض نسبة Hausner الخاصة به، وهو ما يحدث فقط للعينات B وC وSS 316L.بالنسبة للعينة A، لا يمكن القيام بذلك بسبب حجم أشرطة الخطأ.بالنسبة لـ n1/2، يكون تحديد اتجاهات المعلمات أكثر صعوبة.بالنسبة للعينة A وSS 316L، انخفضت قيمة n1/2 بعد ساعتين عند 200 درجة مئوية، بينما بالنسبة للمساحيق B وC زادت بعد التحميل الحراري.
تم استخدام وحدة التغذية الاهتزازية لكل تجربة GranuCharge (انظر الشكل 8).استخدم أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316L.وتكررت القياسات 3 مرات لتقييم إمكانية تكرار نتائج.كان وزن المنتج المستخدم لكل قياس حوالي 40 مل ولم يتم استرداد أي مسحوق بعد القياس.
قبل التجربة، يتم تسجيل وزن المسحوق (mp، g)، ورطوبة الهواء النسبية (RH، %)، ودرجة الحرارة (درجة مئوية).في بداية الاختبار، قم بقياس كثافة شحنة المسحوق الأساسي (q0 في μC/kg) عن طريق إدخال المسحوق في كوب فاراداي.وأخيرا، سجل كتلة المسحوق وحساب كثافة الشحنة النهائية (qf، μC/kg) وΔq (Δq = qf – q0) في نهاية التجربة.
يتم عرض بيانات GranuCharge الخام في الجدول 2 والشكل 9 (σ هو الانحراف المعياري المحسوب من نتائج اختبار التكاثر)، ويتم عرض النتائج كرسوم بيانية (يتم عرض q0 وΔq فقط).كان SS 316L أقل تكلفة أولية.قد يكون هذا بسبب حقيقة أن هذا المنتج لديه أعلى PSD.فيما يتعلق بكمية الشحن الأولية لمسحوق سبائك الألومنيوم الأساسي، لا يمكن استخلاص أي استنتاجات بسبب حجم الأخطاء.
بعد الاتصال بأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، اكتسبت العينة A أقل قدر من الشحن مقارنة بالمساحيق B وC، مما يسلط الضوء على اتجاه مماثل، عندما يتم فرك مسحوق SS 316L مع SS 316L، تم العثور على كثافة شحن قريبة من 0 (انظر كهرباء احتكاكية) مسلسل).لا يزال المنتج B مشحونًا أكثر من A. بالنسبة للعينة C، يستمر الاتجاه (شحن أولي موجب وشحن نهائي بعد التسرب)، ولكن عدد الشحنات يزداد بعد التدهور الحراري.
وبعد ساعتين من الإجهاد الحراري عند 200 درجة مئوية، يصبح سلوك المسحوق مذهلًا.في العينتين A وB، تنخفض الشحنة الأولية وتتغير الشحنة النهائية من السالب إلى الموجب.كان لمسحوق SS 316L أعلى شحنة أولية وأصبح تغير كثافة الشحنة إيجابيًا لكنه ظل منخفضًا (أي 0.033 نانو سي/جم).
قمنا بدراسة تأثير التحلل الحراري على السلوك المشترك لسبائك الألومنيوم (AlSi10Mg) ومساحيق الفولاذ المقاوم للصدأ 316L أثناء تحليل المساحيق الأصلية في الهواء المحيط بعد ساعتين عند 200 درجة مئوية.
يمكن أن يؤدي استخدام المساحيق عند درجة حرارة عالية إلى تحسين قابلية انتشار المنتج، ويبدو أن هذا التأثير أكثر أهمية بالنسبة للمساحيق ذات المساحة السطحية العالية والمواد ذات الموصلية الحرارية العالية.تم استخدام GranuDrum لتقييم التدفق، وتم استخدام GranuPack لتحليل التعبئة الديناميكية، وتم استخدام GranuCharge لتحليل كهرباء الاحتكاك للمسحوق عند ملامسته لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316L.
تم التوصل إلى هذه النتائج باستخدام GranuPack الذي يوضح التحسن في معامل هاوزنر لكل مسحوق (باستثناء العينة A بسبب خطأ الحجم) بعد عملية الإجهاد الحراري.وبالنظر إلى معاملات التعبئة (n1/2)، لم تكن هناك اتجاهات واضحة حيث أظهرت بعض المنتجات زيادة في سرعة التعبئة بينما كان لدى البعض الآخر تأثير متباين (مثل العينات B وC).