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적층 제조(AM)에는 한 번에 하나의 초박막 레이어로 3차원 물체를 만드는 작업이 포함되므로 기존 기계 가공보다 비용이 더 많이 듭니다.그러나 조립 공정 중에 증착된 분말 중 극히 일부만이 부품에 납땜됩니다.나머지 부분은 녹지 않아 재사용이 가능합니다.대조적으로, 물체가 고전적으로 생성된 경우 일반적으로 밀링 및 기계 가공을 통한 재료 제거가 필요합니다.
분말의 특성은 기계의 매개변수를 결정하므로 먼저 고려해야 합니다.용융되지 않은 분말이 오염되어 재활용이 불가능하다는 점을 고려하면 AM 비용은 비경제적입니다.분말이 손상되면 제품의 화학적 변형과 형태 및 입자 크기 분포와 같은 기계적 특성의 변화라는 두 가지 현상이 발생합니다.
첫 번째 경우, 주된 임무는 순수한 합금을 포함하는 고체 구조를 만드는 것이므로 산화물이나 질화물 등으로 분말이 오염되는 것을 방지해야 합니다.후자의 경우 이러한 매개변수는 유동성 및 퍼짐성과 관련이 있습니다.따라서 분말의 특성이 변경되면 제품이 균일하지 않게 분포될 수 있습니다.
최근 출판물의 데이터에 따르면 기존 유량계는 분말층 첨가제 생산 시 분말 유동성에 대한 적절한 정보를 제공할 수 없습니다.원료(또는 분말)의 특성화와 관련하여 이 요구 사항을 충족할 수 있는 몇 가지 적절한 측정 방법이 시중에 나와 있습니다.응력 상태와 분말 흐름장은 측정 셀과 프로세스에서 동일해야 합니다.압축 하중의 존재는 전단 셀 테스터 및 기존 레오미터의 AM 장치에 사용되는 자유 표면 흐름과 호환되지 않습니다.
GranuTools는 적층 제조에서 분말 특성화를 위한 워크플로우를 개발했습니다.우리의 주요 목표는 정확한 프로세스 모델링을 위해 형상당 하나의 도구를 갖는 것이었고, 이 워크플로우는 여러 인쇄 패스에 걸쳐 분말 품질의 변화를 이해하고 추적하는 데 사용되었습니다.여러 가지 표준 알루미늄 합금(AlSi10Mg)이 다양한 열 부하(100~200°C)에서 다양한 지속 시간 동안 선택되었습니다.
열 분해는 분말의 전하 저장 능력을 분석하여 제어할 수 있습니다.분말의 유동성(GranuDrum 기기), 패킹 동역학(GranuPack 기기) 및 정전기 거동(GranuCharge 기기)에 대해 분석되었습니다.응집력 및 패킹 동역학 측정은 다음 분말 질량에 사용할 수 있습니다.
쉽게 퍼지는 분말은 낮은 응집 지수를 경험하는 반면, 충전 역학이 빠른 분말은 충전하기 어려운 제품에 비해 다공성이 적은 기계 부품을 생산합니다.
입자 크기 분포가 서로 다른 세 가지 알루미늄 합금 분말(AlSi10Mg)과 여기에서 샘플 A, B 및 C라고 하는 하나의 316L 스테인레스 스틸 샘플을 몇 달 동안 실험실에 보관했습니다.샘플의 특성은 다른 샘플과 다를 수 있습니다.제조업 자.샘플 입자 크기 분포는 레이저 회절 분석/ISO 13320으로 측정되었습니다.
기계의 매개변수를 제어하기 때문에 분말의 특성을 먼저 고려해야 하며, 녹지 않은 분말이 오염되어 재활용할 수 없다고 생각한다면 적층 제조 비용은 우리가 원하는 만큼 경제적이지 않을 것입니다.따라서 분말 흐름, 패킹 동역학 및 정전기의 세 가지 매개 변수를 조사합니다.
퍼짐성은 재코팅 작업 후 파우더 층의 균일성과 "부드러움"과 관련이 있습니다.매끄러운 표면은 인쇄하기가 더 쉽고 접착 지수 측정 기능이 있는 GranuDrum 도구를 사용하여 검사할 수 있으므로 이는 매우 중요합니다.
기공은 재료의 약점이기 때문에 균열이 발생할 수 있습니다.고속 포장 분말은 다공성이 낮기 때문에 포장 역학은 두 번째로 중요한 매개변수입니다.이 동작은 n1/2 값으로 GranuPack으로 측정되었습니다.
분말에 전하가 존재하면 응집력이 생겨 응집체가 형성됩니다.GranuCharge는 유동 중에 선택된 재료와 접촉할 때 분말이 정전기를 생성하는 능력을 측정합니다.
처리 중에 GranuCharge는 AM의 층 형성과 같은 흐름 저하를 예측할 수 있습니다.따라서 얻은 측정값은 입자 표면 상태(산화, 오염 및 거칠기)에 매우 민감합니다.그런 다음 회수된 분말의 노화를 정확하게 정량화할 수 있습니다(±0.5nC).
GranuDrum은 회전 드럼의 원리를 기반으로 하며 분말의 흐름성을 측정하기 위한 프로그래밍된 방법입니다.투명한 측벽이 있는 수평 실린더에는 분말 샘플의 절반이 들어 있습니다.드럼은 2~60rpm의 각속도로 축을 중심으로 회전하고, CCD 카메라는 사진(1초 간격으로 30~100장)을 촬영합니다.공기/분말 경계면은 가장자리 감지 알고리즘을 사용하여 각 이미지에서 식별됩니다.
인터페이스의 평균 위치와 이 평균 위치 주변의 진동을 계산합니다.각 회전 속도에 대해 유동 각도(또는 "동적 안식각") αf는 평균 인터페이스 위치로부터 계산되고, 입자 간 결합을 나타내는 동적 접착 지수 σf는 인터페이스 변동으로부터 분석됩니다.
흐름 각도는 입자 간 마찰, 모양 및 응집력(반데르발스, 정전기 및 모세관력) 등 다양한 매개변수의 영향을 받습니다.응집성 분말은 간헐적인 흐름을 초래하는 반면, 비점착성 분말은 규칙적인 흐름을 초래합니다.흐름 각도 αf의 값이 작을수록 흐름 특성이 좋습니다.0에 가까운 동적 접착 지수는 비응집성 분말에 해당하므로 분말의 접착력이 증가할수록 접착 지수도 그에 따라 증가합니다.
GranuDrum을 사용하면 흐름 중 분말의 첫 번째 눈사태 각도와 통기를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 회전 속도에 따른 접착 지수 σf와 흐름 각도 αf를 측정할 수 있습니다.
GranuPack 벌크 밀도, 태핑 밀도 및 Hausner 비율 측정("터치 테스트"라고도 함)은 측정 용이성과 속도로 인해 분말 특성화에서 매우 널리 사용됩니다.분말의 밀도와 밀도를 높이는 능력은 보관, 운송, 응집 등의 중요한 매개변수입니다. 권장 절차는 약전에 설명되어 있습니다.
이 간단한 테스트에는 세 가지 주요 단점이 있습니다.측정은 작업자에 따라 다르며 충전 방법은 초기 분말 부피에 영향을 미칩니다.부피를 시각적으로 측정하면 결과에 심각한 오류가 발생할 수 있습니다.실험의 단순성으로 인해 초기 치수와 최종 치수 사이의 압축 역학을 무시했습니다.
연속 출구로 공급되는 분말의 거동을 자동화 장비를 사용하여 분석했습니다.n번 클릭 후 Hausner 계수 Hr, 초기 밀도 ρ(0) 및 최종 밀도 ρ(n)을 정확하게 측정합니다.
탭 수는 일반적으로 n=500으로 고정됩니다.GranuPack은 최신 동적 연구를 기반으로 한 자동화된 고급 태핑 밀도 측정입니다.
다른 인덱스를 사용할 수 있지만 여기에 나열되지는 않습니다.분말을 금속 튜브에 넣고 엄격한 자동 초기화 과정을 거칩니다.동적 매개변수 n1/2와 최대 밀도 ρ(무한대)의 외삽은 압축 곡선에서 가져옵니다.
경량 중공 실린더가 파우더 베드 위에 위치하여 압축 중에 파우더/공기 인터페이스 수준을 유지합니다.분말 샘플이 들어 있는 튜브는 고정된 높이 ΔZ까지 상승한 다음 일반적으로 ΔZ = 1mm 또는 ΔZ = 3mm로 고정된 높이로 자유롭게 떨어집니다. 이는 각 충격 후 자동으로 측정됩니다.높이에 따라 더미의 부피 V를 계산할 수 있습니다.
밀도는 분말층의 부피 V에 대한 질량 m의 비율입니다.분말 질량 m은 알려져 있으며, 각 방출 후에 밀도 ρ가 적용됩니다.
Hausner 계수 Hr은 다짐률과 관련이 있으며 Hr = ρ(500) / ρ(0) 방정식으로 분석됩니다. 여기서 ρ(0)은 초기 벌크 밀도이고 ρ(500)은 500 이후 계산된 탭 밀도입니다. 도청.GranuPack 방식을 사용하여 소량의 파우더(보통 35ml)로도 결과를 재현할 수 있습니다.
분말의 특성과 장치를 구성하는 재료의 특성이 핵심 매개변수입니다.유동하는 동안 분말 내부에 정전기 전하가 생성되며 이러한 전하는 두 고체가 접촉할 때 전하가 교환되는 마찰전기 효과에 의해 발생합니다.
분말이 장치 내부로 흐를 때 입자 사이의 접촉부와 입자와 장치 사이의 접촉부에서 마찰전기 효과가 발생합니다.
선택한 재료와 접촉하면 GranuCharge는 유동 중에 분말 내부에 생성된 정전기 양을 자동으로 측정합니다.분말 샘플은 진동하는 V자형 튜브에서 흐르고 V자형 튜브를 통해 이동할 때 분말이 얻는 전하를 측정하는 전위계에 연결된 패러데이 컵에 떨어집니다.재현 가능한 결과를 얻으려면 회전 또는 진동 장치를 사용하여 V-튜브를 자주 공급하십시오.
마찰전기 효과로 인해 한 물체는 표면에서 전자를 얻어 음전하를 띠게 되고, 다른 물체는 전자를 잃어 양전하를 띠게 됩니다.일부 물질은 다른 물질보다 더 쉽게 전자를 얻습니다. 마찬가지로 다른 물질은 더 쉽게 전자를 잃습니다.
어떤 물질이 음이 되고 어떤 물질이 양이 되는지는 전자를 얻거나 잃는 것과 관련된 물질의 상대적 경향에 따라 달라집니다.이러한 경향을 나타내기 위해 표 1과 같은 마찰전기 시리즈가 개발되었습니다.양전하를 띠는 경향이 있는 물질과 음전하를 띠는 경향이 있는 물질이 나열되어 있고, 행동 경향을 나타내지 않는 물질이 표 중앙에 나열되어 있습니다.
반면, 이 표는 물질의 전하 거동 경향에 대한 정보만 제공하므로 GranuCharge는 분말 전하 거동에 대한 정확한 값을 제공하기 위해 만들어졌습니다.
열분해를 분석하기 위해 여러 가지 실험이 수행되었습니다.샘플을 200°C에서 1~2시간 동안 방치했습니다.그런 다음 분말은 즉시 GranuDrum(열명)으로 분석됩니다.그런 다음 분말을 주변 온도에 도달할 때까지 용기에 넣은 다음 GranuDrum, GranuPack 및 GranuCharge(예: "차가운")를 사용하여 분석합니다.
원시 샘플은 동일한 습도/실온, 즉 상대 습도 35.0 ± 1.5% 및 온도 21.0 ± 1.0 °C에서 GranuPack, GranuDrum 및 GranuCharge를 사용하여 분석되었습니다.
응집 지수는 분말의 유동성을 계산하고 세 가지 접촉력(반데르발스, 모세관 및 정전기)만 반영하는 계면(분말/공기) 위치의 변화와 상관 관계가 있습니다.실험 전에 상대습도(RH, %)와 온도(°C)를 기록합니다.그런 다음 분말을 드럼 용기에 붓고 실험을 시작하십시오.
우리는 요변성 매개변수를 고려할 때 이들 제품이 케이킹에 민감하지 않다는 결론을 내렸습니다.흥미롭게도, 열 응력은 샘플 A와 B 분말의 유변학적 거동을 전단 농축에서 전단 담화로 변화시켰습니다.반면, 샘플 C와 SS 316L은 온도에 영향을 받지 않고 전단 농축만 나타납니다.각 분말은 가열 및 냉각 후에 더 나은 퍼짐성(즉, 더 낮은 응집 지수)을 나타냈습니다.
온도 효과는 또한 입자의 비표면적에 따라 달라집니다.재료의 열 전도성이 클수록 온도에 대한 영향도 커집니다(예: ???225°?=250?.?-1.?-1) 및 ?316?225°?=19?.?-1.?-1), 입자가 작을수록 온도의 영향이 더 중요합니다.높은 온도에서 작업하는 것은 퍼짐성이 증가하기 때문에 알루미늄 합금 분말에 적합한 선택이며, 냉각된 샘플은 원래 분말에 비해 훨씬 더 나은 유동성을 얻습니다.
각 GranuPack 실험에 대해 각 실험 전에 분말의 무게를 기록했으며, 측정 셀의 자유 낙하(충격 에너지 ∝)와 함께 충격 주파수 1Hz로 샘플에 500회 충격을 가했습니다.샘플은 사용자와 무관한 소프트웨어 지침에 따라 측정 셀에 분배됩니다.그런 다음 재현성을 평가하고 평균 및 표준 편차를 조사하기 위해 측정을 두 번 반복했습니다.
GranuPack 분석이 완료된 후 초기 패킹 밀도(ρ(0)), 최종 패킹 밀도(몇 번의 클릭으로 n = 500, 즉 ρ(500)), Hausner ratio/Carr index(Hr/Cr), 두 가지가 기록됩니다. 압축 역학과 관련된 매개변수(n1/2 및 τ).최적의 밀도 ρ(무한대)도 표시됩니다(부록 1 참조).아래 표는 실험 데이터를 재구성한 것입니다.
그림 6과 7은 전체 압축 곡선(벌크 밀도 대 충격 횟수)과 n1/2/Hausner 매개변수 비율을 보여줍니다.평균을 사용하여 계산된 오차 막대는 각 곡선에 표시되며 표준 편차는 반복성 테스트를 통해 계산되었습니다.
가장 무거운 제품은 316L 스테인레스 스틸 제품이었습니다(ρ(0) = 4.554 g/mL).태핑 밀도 측면에서 SS 316L은 여전히 가장 무거운 분말(ρ(n) = 5.044 g/mL)이고, 샘플 A(ρ(n) = 1.668 g/mL), 샘플 B(ρ(n))가 그 뒤를 따릅니다. = 1.668g/ml) (n) = 1.645g/ml).샘플 C가 가장 낮았습니다(ρ(n) = 1.581 g/mL).초기 분말의 부피 밀도에 따르면 샘플 A가 가장 가벼운 것을 알 수 있으며, 오차(1.380g/ml)를 고려하면 샘플 B와 C는 거의 동일한 값을 갖습니다.
분말을 가열하면 Hausner 비율이 감소하는데, 이는 샘플 B, C 및 SS 316L에서만 발생합니다.샘플 A의 경우 오류 막대의 크기로 인해 이 작업을 수행할 수 없습니다.n1/2의 경우 매개변수 추세를 식별하기가 더 어렵습니다.샘플 A와 SS 316L의 경우 n1/2 값은 200°C에서 2시간 후에 감소한 반면, 분말 B와 C의 경우 열 부하 후에 증가했습니다.
각 GranuCharge 실험에는 진동 피더가 사용되었습니다(그림 8 참조).316L 스테인레스 스틸 파이프를 사용하십시오.재현성을 평가하기 위해 측정을 3회 반복했습니다.각 측정에 사용된 제품의 무게는 약 40 ml였으며, 측정 후 분말이 회수되지 않았습니다.
실험 전, 분말의 중량(mp, g), 상대습도(RH, %), 온도(°C)를 기록합니다.테스트 시작 시 분말을 패러데이 컵에 넣어 1차 분말의 전하 밀도(q0(μC/kg 단위))를 측정합니다.마지막으로, 분말의 질량을 기록하고 실험이 끝나면 최종 전하 밀도(qf, µC/kg) 및 Δq(Δq = qf – q0)를 계산합니다.
원시 GranuCharge 데이터는 표 2와 그림 9에 표시되어 있으며(σ는 재현성 테스트 결과에서 계산된 표준편차), 결과는 히스토그램으로 표시됩니다(q0 및 Δq만 표시됨).SS 316L은 초기 비용이 가장 낮았습니다.이는 이 제품의 PSD가 가장 높기 때문일 수 있습니다.1차 알루미늄 합금 분말의 초기 투입량에 대해서는 오차의 크기로 인해 결론을 도출할 수 없다.
316L 스테인레스 스틸 파이프와 접촉한 후 샘플 A는 분말 B 및 C에 비해 가장 적은 양의 전하를 획득했으며 이는 유사한 경향을 강조합니다. SS 316L 분말을 SS 316L로 문지르면 0에 가까운 전하 밀도가 발견됩니다(마찰전기 참조) 시리즈).제품 B는 여전히 A보다 더 많이 충전되어 있습니다. 샘플 C의 경우 추세가 지속되지만(양의 초기 충전 및 누출 후 최종 충전) 열 저하 후 충전 횟수가 증가합니다.
200°C에서 2시간 동안 열 응력을 가한 후 분말의 거동이 극적으로 변합니다.샘플 A와 B에서는 초기 전하가 감소하고 최종 전하가 음에서 양으로 변경됩니다.SS 316L 분말은 초기 전하가 가장 높았으며 전하 밀도 변화는 양이 되었지만 낮게 유지되었습니다(즉, 0.033 nC/g).
우리는 200°C에서 2시간 후 대기 중 원래 분말을 분석하면서 알루미늄 합금(AlSi10Mg)과 316L 스테인리스강 분말의 결합 거동에 대한 열 분해의 영향을 조사했습니다.
고온에서 분말을 사용하면 제품의 퍼짐성을 향상시킬 수 있는데, 이 효과는 비표면적이 큰 분말이나 열전도율이 높은 소재일수록 더욱 중요한 것으로 보입니다.GranuDrum은 흐름을 평가하는 데 사용되었고, GranuPack은 동적 충진 분석에 사용되었으며, GranuCharge는 316L 스테인리스 스틸 튜빙과 접촉하는 분말의 마찰전기성을 분석하는 데 사용되었습니다.
이러한 결과는 GranuPack을 사용하여 확립되었으며, 이는 열 응력 처리 후 각 분말(크기 오류로 인한 샘플 A 제외)에 대한 Hausner 계수의 개선을 보여줍니다.포장 매개변수(n1/2)를 살펴보면 일부 제품은 포장 속도가 증가한 반면 다른 제품은 대조 효과(예: 샘플 B 및 C)를 나타냈기 때문에 명확한 추세가 없었습니다.
게시 시간: 2023년 1월 10일