Tutkimuksen edistyminen kaasusumutuksesta 3D-tulostuksessa käytettävien metallijauheiden valmistukseen
3D-tulostustekniikka, joka tunnetaan myös nimellä additiivinen valmistus, syntyi 1930-luvulla. Se on tekniikka, joka rakentaa osia kerros kerrokselta (esim. käyttämällä metallijauheita) tietokoneella-luotetun kolmiulotteisen-mallin perusteella. Perinteiseen vähentävään valmistukseen verrattuna 3D-tulostus tarjoaa etuja, kuten suuren suunnitteluvapauden, korkean materiaalin käytön ja kyvyn valmistaa monimutkaisia rakenteita, mikä tarjoaa laajat sovellusmahdollisuudet ilmailu-, lääketieteellisten laitteiden, tarkkuusvalmistuksen ja muilla aloilla. Metallin 3D-tulostuksen kehitys perustuu vahvasti{11}}suorituskykyisiin metallijauheisiin, joiden ominaisuudet määräävät suoraan tulostettujen osien laadun ja suorituskyvyn. Ihanteellisilla metallijauheilla 3D-tulostukseen on oltava korkea pallomaisuus, pieni hiukkaskoko, kapea hiukkaskokojakautuma, korkea puhtaus ja hyvä juoksevuus.
Kaasun sumutus (GA), ensisijainen menetelmä metallijauheiden valmistukseen, syntyi 1920-luvulla. Se käyttää nopeaa -kaasusuihkua törmätäkseen sulan metallin virtaan ja hajottaa sen pieniksi pisaroiksi, jotka jähmettyvät pallomaisiksi jauheiksi jäähtyessään. Tällä menetelmällä valmistetuilla jauheilla on tasainen koostumus, korkea pallomaisuus ja alhainen epäpuhtauspitoisuus, ja ne muodostavat tällä hetkellä 30–50 % 3D-tulostukseen tarkoitettujen metallijauheiden kokonaistuotannosta. Kaasun sumutus on kuitenkin monimutkainen prosessi, johon liittyy kaasun ja nesteen kaksivaiheinen virtaus; pienet muutokset prosessiparametreissa voivat johtaa merkittäviin eroihin jauheen ominaisuuksissa, mikä vaikuttaa painettujen osien suorituskykyyn. Siksi kaasusumutusteknologian tutkimuksen edistymisen systemaattinen tarkastelu on erittäin tärkeää 3D-tulostusteollisuuden kehityksen edistämiseksi.
3D-tulostuksen metallijauheiden suorituskykyvaatimukset
3D-tulostusprosessissa raaka-aineena toimivat metallijauheet, joiden suorituskyky vaikuttaa suoraan jauheen leviämisen tasaisuuteen, sintrauslaatuun ja osien lopullisiin mekaanisiin ominaisuuksiin. Keskeisiä suoritusindikaattoreita ovat jauheen puhtaus, hiukkaskoko, happipitoisuus ja kierrätettävyys.
2.1 Jauheen puhtaus
Epäpuhtauselementtien läsnäolo voi reagoida perusjauheen kanssa, mikä heikentää materiaalin termodynaamista stabiliteettia ja mekaanisia ominaisuuksia. Esimerkiksi Ti-6Al-4V seosjauhe adsorboi helposti N, O, H ja muut elementit kuumennettaessa, mikä johtaa suorituskyvyn heikkenemiseen. Joissakin tapauksissa epäpuhtauksilla voi kuitenkin olla positiivisia vaikutuksia, kuten Al2O3-keraamijauheessa olevat epäpuhtaudet, jotka voivat alentaa sintrauslämpötilaa ja helpottaa prosessia. Siksi jauheen puhtaus on säädettävä tietyn sovelluksen mukaan.
2.2 Partikkelikoko
Partikkelikoko vaikuttaa suoraan jauheen leviämisen kerrospaksuuteen (tyypillisesti 50–100 μm) ja sintraamisen käyttövoimaan. Lasermuovausprosesseissa käytetään yleensä jauhehiukkasten kokoa 30–50 μm, kun taas elektronisuihkumuovauksessa 50–90 μm. Liian hienot hiukkaset aiheuttavat epätasaisia leviämis- ja "palloilmiöitä", kun taas liian karkeat hiukkaset lisäävät hajoamiskulmaa ja vähentävät käyttötehokkuutta. Ihannetapauksessa tarvitaan sekoitus hienoja ja karkeita jauheita sopivassa suhteessa juoksevuuden ja sintrauskyvyn tasapainottamiseksi.
2.3 Happipitoisuus
Happipitoisuus tulee pääasiassa sumutuskaasusta ja laitteista. Korkea happikontaminaatio voi muodostaa aikaisempia hiukkasrajoja (PPB), mikä heikentää seoksen suorituskykyä. Tutkimukset ovat osoittaneet, että jauheiden happipitoisuus liittyy hiukkaskokoon; hiukkaskoon pienentyessä happipitoisuus kasvaa. Tyhjiölämmitys tai pelkistyskäsittely voi vähentää tehokkaasti happipitoisuutta.
2.4 Jauheen kierrätettävyys
3D-tulostusjauheiden hinta on korkea, ja kierrätyksellä voidaan säästää merkittävästi raaka-aineita. Esimerkiksi 21 käyttöjakson jälkeen Ti-6Al-4V-jauheen happipitoisuus kasvoi vain 0,08 %:sta 0,19 %:iin ja sulamattomia hiukkasia voitiin käyttää uudelleen. Kierrätysjaksojen määrän lisääminen voi parantaa hanan tiheyttä ja juoksevuutta vaikuttamatta mikrorakenteeseen tai mekaanisiin ominaisuuksiin.
Jauhetuotannon perusperiaatteet kaasusumutuksella
Kaasun sumutus käyttää nopeaa{0}}kaasusuihkua sulan metallin virran hajottamiseen pisaroiksi, jotka sitten jähmettyvät pallomaisiksi jauheiksi jäähtyessään. Prosessi koostuu kolmesta vaiheesta: metallin sulatus, sumuttaminen ja jäähdytys/jähmettyminen. Inerttejä kaasuja (esim. typpeä, argonia) käytetään yleisesti sumutusväliaineena hapettumisen välttämiseksi. Kaasun sumutusprosessi voidaan jakaa neljään vyöhykkeeseen:
Vyöhyke I (negatiivisen paineen turbulenssivyöhyke):Sumutuskaasu muodostaa alipaineen suuttimen ulostulossa, joka vetää sulan metallivirran ja hajottaa sen nestemäisiksi nauhoiksi.
Alue II (ensisijainen pisaroiden muodostumisvyöhyke):Nestenauhat hajoavat aluksi pisaroiksi pintajännityksen ja kaasuvirran vaikutuksesta.
Vyöhyke III (tehokas sumutusvyöhyke):Nopea{0}}kaasusuihku hajottaa pisarat edelleen hienommiksi hiukkasiksi.
Vyöhyke IV (jäähdytys- ja jähmettymisvyöhyke):Pisarat putoavat vapaasti ja jähmettyvät jäähtyessään pallomaisiksi jauheiksi.