Beeinflusst die Partikelgröße von Metallpulver die Druckqualität von Formen?

一, Die Art und Weise, wie sich die Partikelgröße auf die Druckqualität auswirkt: Synergieeffekt in mehr als einer Hinsicht
1. Das Pulver verteilt sich gleichmäßig: Die Dichte der Pulverschicht richtet sich nach der Größe der Partikel.
Der erste Schritt beim Metall-3D-Druck ist die Pulververteilung, und wie gleichmäßig sie ist, hat einen direkten Einfluss auf die ursprüngliche Qualität der Form. Kleine Pulverpartikel (weniger als 15 μm) neigen dazu, zusammenzukleben, da sie über eine hohe Oberflächenenergie verfügen. Dies kann zu Hohlräumen oder Klumpen in der Pulverschicht führen. Wenn die Partikel hingegen zu groß sind (mehr als 53 μm), können sie gut fließen, begrenzen jedoch die Mindestschichtdicke, was die Herstellung feiner Strukturen wie dünnwandiger Strukturen erschwert. Beispielsweise kann beim Einsatz von 316L-Edelstahlpulver mit Partikelgrößen von 15 bis 45 µm im SLM-Verfahren die Dicke der Pulverschicht zwischen 30 und 50 µm gehalten werden und die Dichte der Pulverschicht kann 99,2 % erreichen. Wenn die Partikelgröße diesen Bereich jedoch überschreitet, nimmt die Porosität stark zu.
Ebenso wichtig ist die Plausibilität der Partikelgrößenverteilung. Die Verwendung einer bimodalen Verteilung (Mischen grober und feiner Partikel) trägt zur Verbesserung der Pulverpackungsdichte bei. Feine Partikel füllen die Zwischenräume zwischen groben Partikeln, wodurch die lose Packungsdichte um 10 bis 15 % erhöht wird. Dadurch werden interne Fehler in der Form reduziert. Durch die Verbesserung des Partikelgrößenverhältnisses von Ti6Al4V-Pulver (D50=35 μm, D90=50 μm) erhöhte ein bestimmtes Luftfahrtunternehmen die Dichte von Turbinenschaufelformen von 98,5 % auf 99,7 % und die Ermüdungslebensdauer um 20 %.
2. Poolstabilität: ein Gleichgewicht zwischen Partikelgröße und Energieaufnahme, das sich im Laufe der Zeit ändert
Das Schmelzbad ist der Hauptteil, in dem Metallpulver schmilzt, und seine Stabilität hängt davon ab, wie gut das Pulver Laser-/Elektronenstrahlenergie absorbiert. Winzige Partikel haben eine große spezifische Oberfläche und eine schnelle Wärmeabsorptionsrate. Allerdings sind zu kleine Pulver (z<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 μm beträgt die Rate partieller Fusionsfehler bis zu 15 %.
Eine ungleichmäßige Partikelgrößenverteilung kann in bestimmten Bereichen auch zu Ungleichheiten in der Wärmeleitung führen, was zur Eigenspannungskonzentration beitragen kann. Eine Studie ergab, dass die Verwendung von Inconel 718-Pulver mit einer breiten Partikelgrößenverteilung (10–100 μm) zum Drucken von Formen die Eigenspannung im Vergleich zu einer eingeschränkten Verteilung (20–50 μm) um 30 % erhöht. Dadurch ist die Gefahr einer Verformung durch Verzug deutlich erhöht.
3. Oberflächenqualität und -genauigkeit: direkte Kontrolle der Partikelgröße über die Rauheit
Die Oberflächenrauheit der Form ist ein guter Hinweis darauf, wie gut der Druck funktioniert, da sie direkt proportional zur Größe der Pulverpartikel ist. Je kleiner die Partikel sind, desto glatter ist die Oberfläche. Wenn das Pulver jedoch zu fein ist, fließt es nicht gut und kann zu einer ungleichmäßigen Pulververteilung führen, wodurch die Oberfläche rauer wird. Wenn Sie beispielsweise 316L-Pulverdruckformen mit einem D50 von 25 μm verwenden, können Sie die Oberflächenrauheit Ra innerhalb von 8 μm halten. Wenn Sie jedoch Pulver mit einem D50 von 15 μm verwenden, liegt der Ra-Wert über 15 μm, da die Partikel zusammenkleben.
Bei der Auswahl der Partikelgröße für komplexe Strukturformen (z. B. konforme Kühlkanäle) müssen Sie einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit finden. Ein Unternehmen, das Formen für Autos herstellt, konnte mithilfe von martensitisch gealtertem Stahlpulver mit einer Partikelgröße von 30–60 μm präzise Formen mit einer Mindestöffnung von 0,5 mm herstellen. Sie stellten außerdem sicher, dass die Rauheit Ra der Innenwand der Wasserstraße höchstens 10 μm betrug.
2, Partikelgrößenanpassung gängiger Prozesse: unterschiedliche Anforderungen an SLM und EBM
1. SLM-Verfahren: eine Kombination aus kleiner Partikelgröße und hoher Genauigkeit
Bei der SLM-Technik wird als Energiequelle ein Laser verwendet. Der Durchmesser des konzentrierten Flecks liegt üblicherweise zwischen 50 und 100 μm. Sie müssen also ein feinkörniges Pulver (15–53 μm) auswählen, das zur Größe des Flecks passt. Feine Partikel können Laserenergie schnell absorbieren und ein homogenes Schmelzbad erzeugen, allerdings muss die Sauerstoffmenge unter 150 ppm gehalten werden, um Oxideinschlüsse zu vermeiden. Bei der Herstellung von Formen für orthopädische Implantate aus Titanlegierungen kann beispielsweise TC4-Pulver mit einer Partikelgröße von 20–45 μm und einem Sauerstoffgehalt von 80 ppm die hohen Präzisionsstandards einer Öffnungstoleranz von ± 0,02 mm und einer Oberflächenrauheit Ra < 5 μm erfüllen.
2. Der EBM-Prozess: Finden Sie einen Kompromiss zwischen großer Partikelgröße und hoher Effizienz.
Das EBM-Verfahren nutzt einen Elektronenstrahl als Energiequelle. Seine Energiedichteverteilungseigenschaften sind beim Schmelzen grober Partikel (53–150 μm) besser. Grobe Partikel können die Anzahl der Pulverschichten verringern, das Drucken beschleunigen und die Eigenspannung verringern. Wenn ein bestimmter Hersteller von Flugzeugtriebwerken EBM zur Herstellung von Turbinenscheibenformen aus Hochtemperaturlegierung auf Nickelbasis verwendet, wählt er Pulver mit Partikeln mit einer Größe von 60 bis 105 μm. Die Verformung durch Verzug wird bei einer Vorheiztemperatur von 700 Grad auf weniger als 0,1 mm gehalten und die Druckgeschwindigkeit ist dreimal schneller als bei SLM.
3. LENS-Verfahren: Abstimmung der Partikelgröße und der Stabilität der Pulverzufuhr
Die LENS-Technik (Laser Near Clean Forming) nutzt einen koaxialen Pulverzuführungsansatz. Um eine stabile Pulverförderung zu gewährleisten, muss grobes Pulver mit einer Partikelgröße von 105 bis 180 μm gewählt werden. Grobe Partikel können dazu beitragen, dass das Pulverzuführungsrohr nicht verstopft, die Scangeschwindigkeit (600–1000 mm/s) muss jedoch auf den richtigen Wert eingestellt werden, um unvollständige Fusionsfehler zu vermeiden. Ein spezielles Formenreparaturunternehmen nutzte die LENS-Technologie zur Reparatur von Druckgussformen und verwendete dabei H13-Stahlpulver mit Partikeln von 120–150 μm Größe. Bei einer Laserleistung von 1000 W und einer Scangeschwindigkeit von 800 mm/s wurde eine metallurgische Bindungsfestigkeit zwischen der Reparaturschicht und dem Substrat von mindestens 400 MPa ermittelt.
3,Strategie zur Optimierung der Partikelgröße: vollständige Kontrolle des Prozesses von der Vorbereitung bis zur Nachbehandlung
1. Pulveraufbereitung: Wahl zwischen Aerosolisierung und PREP-Technologie
Die Gaszerstäubung (GA) ist heute die gebräuchlichste Methode zur Pulverherstellung, da sie kostengünstig ist und gut funktioniert. Allerdings entsteht dabei häufig Satellitenpulver (kleine Partikel, die an der Oberfläche größerer Partikel haften bleiben) und Hohlpulver, was die Qualität des Drucks beeinträchtigt. Mit dem Plasma-Rotationselektroden-Zerstäubungsprozess (PREP) können qualitativ hochwertige Pulver mit einer Sphärizität von mehr als 98 % und einem Satellitenpulvergehalt von weniger als 0,5 % hergestellt werden, indem Metall mit rotierenden Hochgeschwindigkeitselektroden geschmolzen wird. Allerdings ist die Ausrüstung teuer. Ein hochwertiger Formenbauer hat die Ermüdungslebensdauer von 316L-Pulver, das mit dem PREP-Verfahren hergestellt wurde, von 100.000 Zyklen auf 500.000 Zyklen verbessert.
2. Siebung nach Partikelgröße: zweistufige Siebung und Gradationsoptimierung
Zweistufiges Sieben (z. B. 30-μm- und 53-μm-Siebe) kann verwendet werden, um Pulver mit einer engen Partikelgrößenverteilung zu erhalten. Dies verhindert eine ungleichmäßige Pulverausbreitung, die beim Mischen grober und kleiner Partikel auftritt. Durch die Kombination von Pulvern mit unterschiedlichen Partikelgrößen können Sie die Sortierung durch Erhöhung der Schüttdichte verbessern. Durch das Mischen von 20 % 10–20 μm feinem Pulver mit 80 % 30–50 μm grobem Pulver kann die Schüttdichte beispielsweise von 4,2 g/cm³ auf 4,8 g/cm³ erhöht werden.
3. Nach der Behandlung: Heißisostatisches Pressen und Polieren der Oberfläche
Heißisostatisches Pressen (HIP) kann die Löcher in Formen füllen und die Dichte auf über 99,9 % erhöhen. Laut einer Studie ist die Dauerfestigkeit von Ti6Al4V-Formen, die mit HIP behandelt wurden, um 40 % höher als die von Formen, die nicht behandelt wurden. Durch Polieren kann die Oberfläche noch glatter werden. Beispielsweise kann die elektrolytische Poliertechnologie die Oberflächenrauheit der Form von Ra10 μm auf Ra0,2 μm senken, was für hochwertige optische Formen und andere Anwendungen gut genug ist.