Dujų purškimo, skirto 3D spausdinimui naudojamų metalo miltelių paruošimui, tyrimų pažanga
3D spausdinimo technologija, dar vadinama priedų gamyba, atsirado praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje. Tai technika, kuri dalis sudaro sluoksnius po sluoksnio (pvz., naudojant metalo miltelius), remiantis kompiuteriu-sugeneruotu trimačiu-mačiu modeliu. Palyginti su tradicine subtraktyviąja gamyba, 3D spausdinimas suteikia pranašumų, tokių kaip didelė projektavimo laisvė, didelis medžiagų panaudojimas ir galimybė gaminti sudėtingas konstrukcijas, o tai rodo plačias taikymo perspektyvas aviacijos, medicinos prietaisų, tikslios gamybos ir kitose srityse. Metalo 3D spausdinimo kūrimas labai priklauso nuo didelio našumo{11}}metalo miltelių, kurių charakteristikos tiesiogiai lemia spausdintų dalių kokybę ir našumą. Idealūs metalo milteliai 3D spausdinimui turi turėti didelį sferiškumą, mažą dalelių dydį, siaurą dalelių dydžio pasiskirstymą, aukštą grynumą ir gerą takumą.
Dujų purškimas (GA), kaip pagrindinis metalo miltelių gamybos būdas, atsirado XX a. 20-ajame dešimtmetyje. Jis naudoja didelio greičio-dujų srovę, kad atsitrenktų į išlydyto metalo srovę, suskaidydama jį į mažyčius lašelius, kurie vėsdami sukietėja į sferinius miltelius. Šiuo metodu pagaminti milteliai pasižymi vienoda sudėtimi, dideliu sferiškumu ir mažu priemaišų kiekiu ir šiuo metu sudaro 30–50 % visos metalo miltelių, skirtų 3D spausdinimui, produkcijos. Tačiau dujų purškimas yra sudėtingas procesas, apimantis dviejų{8}}fazių dujų ir skysčio srauto sujungimą; subtilūs proceso parametrų pokyčiai gali lemti didelius miltelių charakteristikų skirtumus ir taip paveikti spausdintų dalių veikimą. Todėl sisteminga tyrimų pažangos apžvalga dujų purškimo technologijos srityje yra labai svarbi skatinant 3D spausdinimo pramonės plėtrą.
Metalo miltelių 3D spausdinimui našumo reikalavimai
3D spausdinimo procese metalo milteliai yra žaliava, o jų veikimas tiesiogiai įtakoja miltelių sklaidos vienodumą, sukepinimo kokybę ir galutines detalių mechanines savybes. Pagrindiniai veiklos rodikliai apima miltelių grynumą, dalelių dydį, deguonies kiekį ir perdirbamumą.
2.1 Miltelių grynumas
Priemaišų elementų buvimas gali reaguoti su baziniais milteliais, todėl sumažėja termodinaminis stabilumas ir medžiagos mechaninės savybės. Pavyzdžiui, Ti-6Al-4V lydinio milteliai kaitinami lengvai adsorbuoja N, O, H ir kitus elementus, todėl pablogėja veikimas. Tačiau kai kuriais atvejais priemaišos gali turėti teigiamą poveikį, pavyzdžiui, Al2O3 keramikos miltelių priemaišos, kurios gali sumažinti sukepinimo temperatūrą ir palengvinti procesą. Todėl miltelių grynumas turi būti koreguojamas atsižvelgiant į konkrečią paskirtį.
2.2 Dalelių dydis
Dalelių dydis tiesiogiai veikia miltelių plitimo sluoksnio storį (paprastai 50–100 μm) ir sukepinimo varomąją jėgą. Lazerinio formavimo procesai paprastai naudoja 30–50 μm miltelių daleles, o elektronų pluošto formavimui – 50–90 μm. Per smulkios dalelės sukelia netolygų plitimą ir „rutuliavimą“, o pernelyg stambios dalelės padidina nukrypimo kampą ir sumažina panaudojimo efektyvumą. Idealiu atveju, norint subalansuoti takumą ir sukepinimo efektyvumą, reikia atitinkamu santykiu smulkių ir stambių miltelių.
2.3 Deguonies kiekis
Deguonies kiekis daugiausia susidaro iš purškimo dujų ir įrangos. Didelis deguonies užterštumas gali sudaryti išankstines dalelių ribas (PPB), o tai pablogina lydinio eksploatacines savybes. Tyrimai parodė, kad deguonies kiekis milteliuose yra susijęs su dalelių dydžiu; mažėjant dalelių dydžiui, didėja deguonies kiekis. Vakuuminis kaitinimas arba redukcinis apdorojimas gali veiksmingai sumažinti deguonies kiekį.
2.4 Miltelių perdirbimas
3D spausdinimo miltelių kaina yra didelė, o perdirbimas gali žymiai sutaupyti žaliavų. Pavyzdžiui, po 21 naudojimo ciklo Ti-6Al-4V milteliuose deguonies kiekis padidėjo tik nuo 0,08% iki 0,19%, o neištirpusios dalelės gali būti panaudotos pakartotinai. Padidinus perdirbimo ciklų skaičių, gali padidėti čiaupo tankis ir tekėjimas, nepažeidžiant mikrostruktūros ar mechaninių savybių.
Pagrindiniai miltelių gamybos dujų purškimo būdu principai
Dujų purškimui naudojama didelės spartos{0}}dujų srovė, kad išlydyto metalo srautas suskaidomas į lašelius, kurie vėsdami sukietėja į sferinius miltelius. Procesą sudaro trys etapai: metalo lydymas, purškimas ir aušinimas / kietėjimas. Inertinės dujos (pvz., azotas, argonas) dažniausiai naudojamos kaip purškimo terpė, kad būtų išvengta oksidacijos. Dujų purškimo procesą galima suskirstyti į keturias zonas:
I zona (neigiamo slėgio turbulencijos zona):Purškimo dujos sukuria neigiamą slėgį purkštuko išėjime, kuris traukia išlydyto metalo srovę ir išsklaido jį į skystas juosteles.
II zona (pirminė lašelių susidarymo zona):Skysčio juostelės iš pradžių suskaidomos į lašelius, veikiant paviršiaus įtempimui ir dujų srautui.
III zona (efektyvioji purškimo zona):Didelės spartos{0}}dujų srovė toliau suskaido lašelius į smulkesnes daleles.
IV zona (aušinimo ir kietėjimo zona):Lašeliai laisvai krenta ir vėsdami sukietėja į sferinius miltelius.