آیا اندازه ذرات پودر فلز بر کیفیت چاپ قالب ها تأثیر می گذارد؟

一، روشی که اندازه ذرات بر کیفیت چاپ تأثیر می گذارد: اثر هم افزایی به بیش از یک روش
1. پخش پودر به طور یکنواخت: چگالی لایه پودر بر اساس اندازه ذرات است.
اولین مرحله در پرینت سه بعدی فلزی توزیع پودر است و میزان یکنواختی آن تاثیر مستقیمی بر کیفیت اولیه قالب دارد. ذرات پودری که کوچک هستند (کمتر از 15 میکرومتر) تمایل دارند به هم بچسبند زیرا انرژی سطحی زیادی دارند. این می تواند باعث ایجاد حفره یا توده در لایه پودر شود. از سوی دیگر، اگر ذرات بیش از حد بزرگ باشند (بیش از 53 میکرومتر)، می‌توانند به خوبی جریان داشته باشند اما حداقل ضخامت لایه را محدود می‌کنند و ایجاد ویژگی‌های ظریف مانند ساختارهای نازک-دیواره‌ای را دشوار می‌کند. به عنوان مثال، هنگام استفاده از پودر فولاد ضد زنگ 316L با ذرات 15 تا 45 میکرومتر در فرآیند SLM، ضخامت لایه پودر را می توان بین 30 تا 50 میکرومتر نگه داشت و چگالی لایه پودر می تواند به 99.2٪ برسد. اما با افزایش اندازه ذرات از این محدوده، تخلخل بسیار بالا می رود.
معقول بودن توزیع اندازه ذرات به همان اندازه مهم است. استفاده از توزیع دووجهی (اختلاط ذرات درشت و ریز) به بهبود چگالی بسته بندی پودر کمک می کند. ذرات ریز فضاهای بین ذرات درشت را پر می کنند که چگالی بسته بندی شل را 10 تا 15 درصد افزایش می دهد. این باعث کاهش عیوب داخلی قالب می شود. با بهبود نسبت اندازه ذرات پودر Ti6Al4V (D50=35 μm, D90=50 μm)، یک شرکت هواپیمایی خاص چگالی قالب‌های تیغه‌های توربین را از 98.5% به 99.7% و عمر خستگی را 20% افزایش داد.
2. پایداری استخر: تعادل بین اندازه ذرات و جذب انرژی که در طول زمان تغییر می کند
حوضچه مذاب اصلی ترین قسمتی است که پودر فلز در آن ذوب می شود و پایداری آن به میزان جذب انرژی پرتو لیزر/الکترون توسط پودر بستگی دارد. ذرات ریز دارای سطح ویژه بزرگ و سرعت جذب حرارت سریع هستند. با این حال، پودرهایی که خیلی ریز هستند (مانند<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 میکرو متر، میزان نقص فیوژن جزئی تا 15٪ می رسد.
توزیع ناهموار اندازه ذرات همچنین می تواند باعث نابرابری در هدایت گرما در مناطق خاص شود که می تواند به تمرکز تنش پسماند کمک کند. یک مطالعه نشان داد که استفاده از پودر Inconel 718 با توزیع اندازه ذرات گسترده (100-100 میکرومتر) در قالب‌های چاپی، تنش پسماند را 30٪ در مقایسه با توزیع محدود (20-50 میکرومتر) افزایش می‌دهد. این باعث می شود که خطر تغییر شکل تاب خوردگی بسیار بیشتر شود.
3. کیفیت و دقت سطح: کنترل مستقیم اندازه ذرات بر روی زبری
زبری سطح قالب راه خوبی برای تشخیص اینکه چاپ چقدر خوب پیش می رود است، زیرا با اندازه ذرات پودر نسبت مستقیم دارد. هرچه ذرات کوچکتر باشند، سطح صاف تر است. با این حال، اگر پودر خیلی ریز باشد، به خوبی جریان پیدا نمی کند و ممکن است باعث پخش ناهموار پودر شود که سطح را زبرتر می کند. به عنوان مثال، اگر از قالب های چاپ پودری 316 لیتری با D50 25 میکرومتر استفاده می کنید، می توانید زبری سطح Ra را در 8 میکرومتر نگه دارید. اما اگر از پودر با D50 15 میکرومتر استفاده کنید، مقدار Ra فراتر از 15 میکرومتر خواهد بود زیرا ذرات به هم می چسبند.
هنگام انتخاب اندازه ذرات برای قالب های ساختاری پیچیده (مانند کانال های خنک کننده منسجم)، باید بین دقت و سهولت استفاده مصالحه پیدا کنید. یکی از شرکت‌هایی که قالب‌های ماشین‌ها را می‌سازد، توانست با استفاده از پودر فولاد کهنه‌شده مارتنزیتی با اندازه ذرات 30 تا 60 میکرومتر، اشکال دقیق با حداقل دیافراگم 0.5 میلی‌متر ایجاد کند. آنها همچنین مطمئن شدند که ناهمواری Ra دیواره داخلی آبراه کمتر یا مساوی 10 میکرومتر باشد.
2، انطباق اندازه ذرات فرآیندهای رایج: نیازهای متفاوت برای SLM و EBM
1. فرآیند SLM: ترکیبی از اندازه ذرات کوچک و دقت بالا
تکنیک SLM از لیزر به عنوان منبع انرژی استفاده می کند و قطر نقطه متمرکز معمولا بین 50 تا 100 میکرومتر است. بنابراین، باید یک پودر دانه ریز- (15 تا 53 میکرومتر) انتخاب کنید که با اندازه لکه مطابقت داشته باشد. ذرات ریز می توانند به سرعت انرژی لیزر را جذب کرده و یک حوضچه مذاب همگن ایجاد کنند، اما مقدار اکسیژن باید کمتر از ppm 150 نگه داشته شود تا از ورود اکسید جلوگیری شود. به عنوان مثال، هنگام ساخت قالب برای ایمپلنت‌های ارتوپدی آلیاژ تیتانیوم، پودر TC4 با اندازه ذرات 20 تا 45 میکرومتر و سطح اکسیژن 80 ppm می‌تواند استانداردهای دقت بالای تحمل دهانه 0.02 ± و زبری سطح را کمتر از 5 میکرومتر داشته باشد.
2. فرآیند EBM: بین اندازه ذرات بزرگ و راندمان بالا مصالحه پیدا کنید.
روش EBM از پرتو الکترونی به عنوان منبع انرژی استفاده می کند. خواص توزیع چگالی انرژی آن برای ذوب ذرات درشت (53-150 میکرومتر) بهتر است. ذرات درشت می‌توانند تعداد لایه‌های پودر را کاهش دهند، چاپ را سریع‌تر کنند و تنش پسماند را کاهش دهند. زمانی که یک شرکت موتورهای هوانوردی خاص از EBM برای ساخت قالب‌های دیسکی توربین آلیاژی-بر پایه نیکل با دمای بالا-استفاده می‌کند، پودری را با ذرات 60 تا 105 میکرومتر انتخاب می‌کند. تغییر شکل صفحه در دمای 700 درجه تا 0.1 میلی متر حفظ می شود و سرعت چاپ سه برابر سریعتر از SLM است.
3. فرآیند لنز: مطابقت با اندازه ذرات و پایداری تغذیه پودر
تکنیک LENS (Laser Near Clean Forming) از روش تغذیه پودر کواکسیال استفاده می کند. برای اطمینان از پایداری تغذیه پودر، پودر درشت با اندازه ذرات 105 تا 180 میکرومتر باید انتخاب شود. ذرات درشت می توانند به جلوگیری از گرفتگی لوله تغذیه پودر کمک کنند، اما سرعت اسکن (600-1000 میلی متر در ثانیه) باید در سطح مناسب تنظیم شود تا از خطاهای همجوشی ناقص جلوگیری شود. یک شرکت تعمیر قالب خاص از فناوری LENS برای تعمیر قالب‌های ریخته‌گری{7} استفاده کرد و از پودر فولاد H13 با ذرات 120 تا 150 میکرومتر استفاده کرد. با توان لیزر 1000 وات و سرعت اسکن 800 میلی‌متر بر ثانیه، استحکام پیوند متالورژیکی بین لایه تعمیر و زیرلایه حداقل 400 مگاپاسکال است.
3، استراتژی بهینه‌سازی اندازه ذرات: کنترل کامل فرآیند از آماده‌سازی تا{1}}درمان
1. آماده سازی پودر: انتخاب بین آئروسلیزاسیون و فناوری PREP
اتمیزه کردن گاز (GA) در حال حاضر رایج ترین راه برای تولید پودر است زیرا ارزان است و به خوبی کار می کند. با این حال، اغلب پودر ماهواره (ذرات کوچکی که به سطح ذرات بزرگتر می چسبند) و پودر توخالی می سازد که کیفیت چاپ را پایین می آورد. فرآیند اتمیزه کردن الکترود دوار پلاسما (PREP) می تواند با ذوب فلز با الکترودهای دوار با سرعت بالا-پودرهایی با کیفیت بالا با کروییت بیش از 98 درصد و محتوای پودر ماهواره ای کمتر از 0.5 درصد تولید کند. با این حال، تجهیزات گران است. یک قالب‌ساز پیشرفته، عمر خستگی پودر 316 لیتری ساخته شده با استفاده از فرآیند PREP را از 100000 سیکل به 500000 چرخه افزایش داده است.
2. غربالگری بر اساس اندازه ذرات: غربالگری دو مرحله ای و بهینه سازی درجه بندی
برای بدست آوردن پودر با توزیع اندازه ذرات باریک می توان از غربالگری دو مرحله ای (مانند غربال های 30 میکرومتر و 53 میکرومتر) استفاده کرد. این کار پخش ناهموار پودر را که هنگام مخلوط شدن ذرات درشت و کوچک با هم اتفاق می افتد، متوقف می کند. با ترکیب پودرها با اندازه های مختلف ذرات، می توانید درجه بندی را با افزایش چگالی ظاهری بهبود بخشید. برای مثال، اختلاط 20 درصد پودر ریز 10 تا 20 میکرومتر با 80 درصد پودر درشت 30 تا 50 میکرومتر، می تواند چگالی ظاهری را از 4.2 گرم در سانتی متر مکعب به 4.8 گرم در سانتی متر مکعب افزایش دهد.
3. پس از درمان: فشار ایزواستاتیک داغ و پرداخت سطح
پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) می تواند سوراخ های قالب را پر کرده و چگالی را به بیش از 99.9 درصد برساند. طبق یک مطالعه، استحکام خستگی قالب‌های Ti6Al4V که با HIP درمان شده‌اند، 40 درصد بیشتر از قالب‌هایی است که درمان نشده‌اند. پرداخت سطح می تواند آن را حتی صاف تر کند. برای مثال، فناوری پولیش الکترولیتی می‌تواند زبری سطح قالب را از Ra10 میکرومتر به Ra0.2 میکرومتر کاهش دهد، که برای قالب‌های نوری با کیفیت بالا و سایر مصارف کافی است.