Napredek raziskav o atomizaciji plina za pripravo kovinskih praškov, ki se uporabljajo pri 3D-tiskanju
Tehnologija 3D tiskanja, znana tudi kot aditivna proizvodnja, se je pojavila v tridesetih letih prejšnjega stoletja. To je tehnika, ki gradi dele plast za plastjo (npr. z uporabo kovinskega prahu) na podlagi računalniško-generiranega-tridimenzionalnega modela. V primerjavi s tradicionalno subtraktivno proizvodnjo ponuja 3D-tiskanje prednosti, kot so velika svoboda oblikovanja, visoka izraba materiala in zmožnost izdelave kompleksnih struktur, kar kaže široke možnosti uporabe v vesolju, medicinskih napravah, natančni proizvodnji in na drugih področjih. Razvoj kovinskega 3D-tiskanja je v veliki meri odvisen od visoko{11}}zmogljivih kovinskih praškov, katerih značilnosti neposredno določajo kakovost in zmogljivost natisnjenih delov. Idealni kovinski prahovi za 3D-tiskanje morajo imeti visoko sferičnost, majhno velikost delcev, ozko porazdelitev velikosti delcev, visoko čistost in dobro pretočnost.
Plinska atomizacija (GA), kot primarna metoda za proizvodnjo kovinskega prahu, izvira iz dvajsetih let prejšnjega stoletja. Uporablja-plinski curek visoke hitrosti, da udari v tok staljene kovine in jo razbije na drobne kapljice, ki se po ohlajanju strdijo v sferične prahove. Praški, proizvedeni s to metodo, imajo enotno sestavo, visoko sferičnost in nizko vsebnost nečistoč ter trenutno predstavljajo 30–50 % celotne proizvodnje kovinskih praškov za 3D-tiskanje. Vendar pa je atomizacija plina kompleksen proces, ki vključuje spajanje dvofaznega toka plin–tekočina; subtilne spremembe procesnih parametrov lahko privedejo do znatnih razlik v lastnostih prahu, kar vpliva na delovanje tiskanih delov. Zato je sistematičen pregled napredka raziskav v tehnologiji atomizacije plina zelo pomemben za spodbujanje razvoja industrije 3D tiskanja.
Zahteve glede zmogljivosti kovinskih praškov za 3D tiskanje
V procesu 3D tiskanja kovinski prah služi kot surovina, njihova zmogljivost pa neposredno vpliva na enakomernost razprševanja prahu, kakovost sintranja in končne mehanske lastnosti delov. Ključni kazalniki učinkovitosti vključujejo čistost prahu, velikost delcev, vsebnost kisika in možnost recikliranja.
2.1 Čistost prahu
Prisotnost elementov nečistoč lahko reagira z osnovnim prahom, kar zmanjša termodinamično stabilnost in mehanske lastnosti materiala. Na primer, prah zlitine Ti-6Al-4V pri segrevanju zlahka adsorbira N, O, H in druge elemente, kar vodi do poslabšanja delovanja. Vendar imajo lahko v nekaterih primerih nečistoče pozitivne učinke, kot so nečistoče v keramičnem prahu Al2O3, ki lahko znižajo temperaturo sintranja in olajšajo postopek. Zato je treba čistočo prahu prilagoditi glede na posebno uporabo.
2.2 Velikost delcev
Velikost delcev neposredno vpliva na debelino plasti prahu (običajno 50–100 μm) in gonilno silo sintranja. Postopki laserskega oblikovanja običajno uporabljajo velikost delcev prahu 30–50 μm, medtem ko oblikovanje z elektronskim žarkom uporablja 50–90 μm. Preveč drobni delci ponavadi povzročijo neenakomerno širjenje in pojave "kroglicanja", medtem ko pretirano grobi delci povečajo kot divergence in zmanjšajo učinkovitost izkoriščanja. V idealnem primeru je potrebna mešanica finih in grobih praškov v ustreznem razmerju za uravnoteženje pretočnosti in učinkovitosti sintranja.
2.3 Vsebnost kisika
Vsebnost kisika v glavnem izvira iz atomizacijskega plina in opreme. Visoka kontaminacija s kisikom lahko tvori predhodne meje delcev (PPB), kar poslabša učinkovitost zlitine. Študije so pokazale, da je vsebnost kisika v prahu povezana z velikostjo delcev; ko se velikost delcev zmanjša, se poveča vsebnost kisika. Vakuumsko segrevanje ali redukcijska obdelava lahko učinkovito zmanjša vsebnost kisika.
2.4 Možnost recikliranja prahu
Stroški praškov za 3D tiskanje so visoki, recikliranje pa lahko znatno prihrani surovine. Na primer, po 21 ciklih uporabe je prašek Ti-6Al-4V pokazal povečanje vsebnosti kisika s samo 0,08 % na 0,19 %, nestaljene delce pa je bilo mogoče ponovno uporabiti. Povečanje števila ciklov recikliranja lahko izboljša gostoto in pretočnost brez vpliva na mikrostrukturo ali mehanske lastnosti.
Osnovni principi proizvodnje prahu s plinsko atomizacijo
Razprševanje s plinom uporablja -hitri plinski curek, da razbije tok staljene kovine v kapljice, ki se nato po ohlajanju strdijo v sferične prahove. Postopek je sestavljen iz treh stopenj: taljenje kovine, atomizacija in hlajenje/strjevanje. Inertni plini (npr. dušik, argon) se običajno uporabljajo kot atomizacijski medij, da se prepreči oksidacija. Postopek atomizacije plina lahko razdelimo na štiri cone:
Cona I (območje turbulence negativnega tlaka):Plin za razprševanje ustvari podtlak na izstopu iz šobe, ki vleče tok staljene kovine in ga razprši v tekoče trakove.
Cona II (območje primarne tvorbe kapljic):Tekoči trakovi se najprej razbijejo v kapljice pod delovanjem površinske napetosti in pretoka plina.
Območje III (območje učinkovite atomizacije):Visok{0}}hitri plinski curek nadalje razbije kapljice na drobnejše delce.
Cona IV (cona hlajenja in strjevanja):Kapljice prosto padajo in se ob ohlajanju strdijo v sferične prahove.