粉末流动在增材制造中的重要性

点击量:564 发布时间:2021-11-09 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司

增材制造 (AM),也称为 3D 打印,是一种潜在的变革性制造技术。该过程涉及按照严格的规格打印复杂的组件,这要求原料具有高度的一致性和可重复性。控制粉末的性能对于工艺效率和最终产品质量都至关重要。随着层的形成,粉末如何散布和分布决定了这种性能的各个方面。原料的变化会导致堆积密度不一致、分层不均匀、拉伸强度低、表面光洁度差和其他零件缺陷。 

 

AM 塑造工业格局的程度取决于高速、精密机械的发展,以及能够满足这些机器严格要求的粉末的识别和持续供应。人们越来越关注粉末本身以及如何以智能和可靠的方式对其进行优化。粉末表征在支持这一过程中起着至关重要的作用,能够可靠地测量与增材制造性能直接相关的特性的测试技术至关重要。确定哪些粉末特性导致粉末的均匀、可重复的性能允许优化新的原料,而不会因在整个过程中运行样品以评估适用性而产生重大的财务和时间影响,粒度通常用作关键质量属性 (CQA),但研究表明这不足以完全限定过程中的行为,例如粉末铺展性。实际上,仅仅建议来自单个测试的任何参数(例如休止角、霍尔流量计、豪斯纳比或体积密度测量)能够全面描述粉末在典型 AM 工艺中存在的条件范围内的行为方式是不够的。此外,这些传统技术通常过于不敏感,无法准确识别在过程中表现不同的粉末之间的细微差异。 

下面的案例研究说明了现代粉末流变仪能够以传统表征方法无法检测的方式检测粉末的微小变化,这些变化与增材制造工艺中的粉末铺展性和整体性能直接相关。

案例研究 1 - 量化原料的批次间差异

 


 

在这第一项研究中,一批粉末显着降低的渗透性和增加的比能表明与较差的铺展性明显相关,尤其是不一致的层均匀性。 

AM 机器运行的严格公差意味着原料批次之间的差异会导致最终产品的特性和质量发生显着变化。在每个批次进入过程之前对其进行筛选的方法可以确保避免性能变化。 

量化原料的批次间差异 

 

来自同一供应商的三个不锈钢粉末示例在增材制造工艺中表现出显着不同的性能;金属粉末 A 和金属粉末 B 都表现出可接受的行为,但金属粉末 C 经常导致堵塞和沉积不良,导致最终产品不合格。所有三个样品具有几乎相同的粒度分布,并且在休止角和霍尔流动测试中表现出相似的响应。

然而,使用 FT4 评估样品表明样品之间存在一些与工艺性能相关的差异。在动态测试期间,样品的比能清楚地区分了金属粉末 C,较高的值表明机械互锁和颗粒-颗粒摩擦增加。这种对特定间流动的阻力增加是低应力环境中堵塞和其他流动问题的常见原因。

量化原料的批次间差异 

 

在批量测试期间,渗透性测试提供了进一步的区分。与其他样品相比,金属粉末 C 在整个粉末床上产生明显更高的压降,表明金属粉末 C 的渗透性比粉末 A 和 B 低得多。最近的研究表明,渗透性对于铺展过程至关重要,因为它可以决定在粉末床内形成气孔。

案例研究 2 - 新鲜原料和用过的原料之间的工艺相关差异

 


 

第二项研究展示了在重复使用金属粉末制造组件时,如何使用流变测量来确定 Virgin 和使用过的材料的最佳混合物。 

粉末床和激光沉积技术都需要使用大量粉末,并非所有粉末都成为成品部件的一部分。粉末再利用提供了显着降低原材料成本和总体浪费水平的潜力。然而,重复使用需要仔细评估通过增材制造机器改变粉末的程度,以及是否可以在不影响成品质量的情况下进一步加工。

使用 FT4 的动态方法评估了一系列不同的原料,这些原料包含不同比例的新鲜和用过的原料,试图确定用过的粉末的关键特性是否不同于原始材料的关键特性,如果是,什么策略可能会成功使粉末恢复到可以重复使用的状态。

新鲜原料和用过的原料之间的工艺相关差异 

比较原始粉末和使用过的粉末的结果表明,加工显着增加了粉末的流动能。这表明用过的粉末与原始材料的行为不同,因此在该过程中可能表现不佳。

从增材制造机器排出的粉末可能含有较大颗粒形式的熔池飞溅物,或者可能发生化学变化,例如在粉末表面吸附污染物。因此进行实验以确定筛分用过的粉末是否会使它返回到其流动能可接受的状态。此处筛分提高了粉末流动性,但并未将其恢复到为原始材料测量的原始流动能值。

然后进行进一步的实验,以查看是否可以将使用过的粉末和原始粉末混合在一起以形成可接受的供后续加工的进料。75% 的原粉和 25% 的用过的粉末的比例产生了与新鲜粉末最相似的流动性,并且这种混合物也表现出相对较好的性能。在所有混合样品中,50:50 混合物的 BFE 最高,这表明流动性不会随新鲜粉末的体积而线性变化。

这些结果突出了动态测试检测粉末细微变化的能力,这些变化与其在 AM 机器中的性能直接相关。因此,动态测试可以支持 AM 金属粉末的成功优化和生命周期管理,这是其他粉末流动测试仪无法做到的。

 

 

 

 

 

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