Πρόοδος έρευνας σχετικά με τον ψεκασμό αερίου για την παρασκευή μεταλλικών σκονών που χρησιμοποιούνται στην τρισδιάστατη εκτύπωση
Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης, γνωστή και ως πρόσθετη κατασκευή, εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1930. Είναι μια τεχνική που κατασκευάζει μέρη στρώμα προς στρώμα (π.χ. χρησιμοποιώντας μεταλλικές σκόνες) με βάση ένα τρισδιάστατο μοντέλο-που δημιουργήθηκε από υπολογιστή. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή αφαιρετική κατασκευή, η τρισδιάστατη εκτύπωση προσφέρει πλεονεκτήματα όπως υψηλή σχεδιαστική ελευθερία, υψηλή χρήση υλικών και δυνατότητα κατασκευής πολύπλοκων δομών, δείχνοντας ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην αεροδιαστημική, τις ιατρικές συσκευές, την κατασκευή ακριβείας και άλλους τομείς. Η ανάπτυξη της μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε μεταλλικές σκόνες υψηλής απόδοσης{11}, των οποίων τα χαρακτηριστικά καθορίζουν άμεσα την ποιότητα και την απόδοση των εκτυπωμένων εξαρτημάτων. Οι ιδανικές μεταλλικές σκόνες για τρισδιάστατη εκτύπωση πρέπει να διαθέτουν υψηλή σφαιρικότητα, μικρό μέγεθος σωματιδίων, στενή κατανομή μεγέθους σωματιδίων, υψηλή καθαρότητα και καλή ρευστότητα.
Ο ψεκασμός αερίου (GA), ως η κύρια μέθοδος για την παραγωγή μεταλλικών σκονών, ξεκίνησε τη δεκαετία του 1920. Χρησιμοποιεί έναν πίδακα αερίου υψηλής-ταχύτητας για να προσκρούσει σε ένα ρεύμα λιωμένου μετάλλου, σπάζοντας το σε μικροσκοπικά σταγονίδια που στερεοποιούνται σε σφαιρικές σκόνες κατά την ψύξη. Οι σκόνες που παράγονται με αυτή τη μέθοδο παρουσιάζουν ομοιόμορφη σύνθεση, υψηλή σφαιρικότητα και χαμηλή περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες και επί του παρόντος αντιπροσωπεύουν το 30%-50% της συνολικής παραγωγής μεταλλικών σκονών για τρισδιάστατη εκτύπωση. Ωστόσο, ο ψεκασμός αερίου είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που περιλαμβάνει τη σύζευξη ροής αερίου-υγρού δύο-φάσεων. Οι ανεπαίσθητες αλλαγές στις παραμέτρους της διαδικασίας μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές διαφορές στα χαρακτηριστικά της σκόνης, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση των τυπωμένων εξαρτημάτων. Ως εκ τούτου, μια συστηματική ανασκόπηση της προόδου της έρευνας στην τεχνολογία ψεκασμού αερίου είναι μεγάλης σημασίας για την προώθηση της ανάπτυξης της βιομηχανίας της τρισδιάστατης εκτύπωσης.
Απαιτήσεις απόδοσης μεταλλικών σκονών για τρισδιάστατη εκτύπωση
Στη διαδικασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης, οι μεταλλικές σκόνες χρησιμεύουν ως πρώτη ύλη και η απόδοσή τους επηρεάζει άμεσα την ομοιομορφία της εξάπλωσης της σκόνης, την ποιότητα πυροσυσσωμάτωσης και τις τελικές μηχανικές ιδιότητες των εξαρτημάτων. Οι βασικοί δείκτες απόδοσης περιλαμβάνουν την καθαρότητα της σκόνης, το μέγεθος σωματιδίων, την περιεκτικότητα σε οξυγόνο και την ανακυκλωσιμότητα.
2.1 Καθαρότητα σκόνης
Η παρουσία στοιχείων ακαθαρσίας μπορεί να αντιδράσει με τη σκόνη βάσης, μειώνοντας τη θερμοδυναμική σταθερότητα και τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Για παράδειγμα, η σκόνη κράματος Ti-6Al-4V απορροφά εύκολα N, O, H και άλλα στοιχεία όταν θερμαίνεται, οδηγώντας σε υποβάθμιση της απόδοσης. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ακαθαρσίες μπορεί να έχουν θετικά αποτελέσματα, όπως οι ακαθαρσίες στην κεραμική σκόνη Al2O3 που μπορούν να μειώσουν τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης και να διευκολύνουν τη διαδικασία. Επομένως, η καθαρότητα της σκόνης πρέπει να ρυθμίζεται σύμφωνα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή.
2.2 Μέγεθος σωματιδίων
Το μέγεθος των σωματιδίων επηρεάζει άμεσα το πάχος του στρώματος της εξάπλωσης της σκόνης (συνήθως 50-100 μm) και την κινητήρια δύναμη πυροσυσσωμάτωσης. Οι διαδικασίες σχηματισμού λέιζερ χρησιμοποιούν συνήθως μεγέθη σωματιδίων σκόνης 30–50 μm, ενώ για τη διαμόρφωση δέσμης ηλεκτρονίων 50–90 μm. Τα πολύ λεπτά σωματίδια τείνουν να προκαλούν ανομοιόμορφα φαινόμενα εξάπλωσης και «μπαλαρίσματος», ενώ τα υπερβολικά χονδροειδή σωματίδια αυξάνουν τη γωνία απόκλισης και μειώνουν την αποδοτικότητα χρήσης. Στην ιδανική περίπτωση, απαιτείται ένα μείγμα λεπτών και χονδροειδών σκονών σε κατάλληλη αναλογία για να εξισορροπηθεί η ρευστότητα και η απόδοση πυροσυσσωμάτωσης.
2.3 Περιεκτικότητα σε οξυγόνο
Η περιεκτικότητα σε οξυγόνο προέρχεται κυρίως από το αέριο ψεκασμού και τον εξοπλισμό. Η υψηλή μόλυνση οξυγόνου μπορεί να σχηματίσει προηγούμενα όρια σωματιδίων (PPB), επιδεινώνοντας την απόδοση του κράματος. Μελέτες έχουν δείξει ότι η περιεκτικότητα σε οξυγόνο των σκονών σχετίζεται με το μέγεθος των σωματιδίων. καθώς μειώνεται το μέγεθος των σωματιδίων, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο αυξάνεται. Η θέρμανση υπό κενό ή η επεξεργασία μείωσης μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την περιεκτικότητα σε οξυγόνο.
2.4 Δυνατότητα ανακύκλωσης σκόνης
Το κόστος των σκονών τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι υψηλό και η ανακύκλωση μπορεί να εξοικονομήσει σημαντικά πρώτες ύλες. Για παράδειγμα, μετά από 21 κύκλους χρήσης, η σκόνη Ti-6Al-4V έδειξε αύξηση στην περιεκτικότητα σε οξυγόνο από μόνο 0,08% σε 0,19%, και τα μη λιωμένα σωματίδια μπορούσαν να επαναχρησιμοποιηθούν. Η αύξηση του αριθμού των κύκλων ανακύκλωσης μπορεί να βελτιώσει την πυκνότητα της βρύσης και τη δυνατότητα ροής χωρίς να επηρεάσει τη μικροδομή ή τις μηχανικές ιδιότητες.
Βασικές αρχές παραγωγής σκόνης με ψεκασμό αερίου
Ο ψεκασμός αερίου χρησιμοποιεί ένα πίδακα αερίου υψηλής ταχύτητας{{0} για να σπάσει ένα ρεύμα λιωμένου μετάλλου σε σταγονίδια, τα οποία στη συνέχεια στερεοποιούνται σε σφαιρικές σκόνες κατά την ψύξη. Η διαδικασία αποτελείται από τρία στάδια: τήξη μετάλλων, πρόσκρουση ψεκασμού και ψύξη/στερεοποίηση. Τα αδρανή αέρια (π.χ. άζωτο, αργό) χρησιμοποιούνται συνήθως ως μέσο ψεκασμού για την αποφυγή οξείδωσης. Η διαδικασία ψεκασμού αερίου μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις ζώνες:
Ζώνη I (ζώνη αναταράξεων αρνητικής πίεσης):Το αέριο ψεκασμού δημιουργεί αρνητική πίεση στην έξοδο του ακροφυσίου, η οποία έλκει το ρεύμα τετηγμένου μετάλλου και το διασκορπίζει σε λωρίδες υγρού.
Ζώνη II (πρωτογενής ζώνη σχηματισμού σταγονιδίων):Οι λωρίδες υγρού αρχικά σπάνε σε σταγονίδια υπό τις δράσεις της επιφανειακής τάσης και της ροής αερίου.
Ζώνη III (αποτελεσματική ζώνη ψεκασμού):Ο πίδακας αερίου υψηλής-ταχύτητας σπάει περαιτέρω τα σταγονίδια σε λεπτότερα σωματίδια.
Ζώνη IV (ζώνη ψύξης και στερεοποίησης):Τα σταγονίδια πέφτουν ελεύθερα και στερεοποιούνται σε σφαιρικές σκόνες κατά την ψύξη.