Fémporok particle characterization for additive manufacturing processes

Az additív gyártási technológiát egyre inkább felhasználják gépek - szállítóeszközök és más egyebek - gyártásra. A repülőgépgyártásban a 3D fémnyomtatás teljesen új lehetőséget nyit a súlycsökkentésre és így a kerozinfogyasztás mérséklésére.

A korábban tucatnyi egyedi komponensből összeszerelendő alkatrész így közvetlenül egy darabban gyártható le. Az additív gyártás fejlődése előrehaladtával egyre több és több alkatrész készíthető nagy mennyiségben 3D nyomtatással. 

Az additív gyártásban felhasznált fémporoknak a legmagasabb követelményeket kell teljesíteniük: a szemcsék méreteloszlásának szűknek és a lehető legpontosabban ismertnek kell lennie, hogy ellenőrizhető legyen az anyag tulajdonsága a szinterelési folyamat alatt.

A Microtrac szemcseanalizátorok ideálisan alkalmasak az additív gyártásban felhasznált fémporok szemcséi méreteloszlása meghatározására. Az alábbiak bevezetést adnak az alkalmas mérési módszerekbe és általános szempontokba ill. bemutatnak különböző példákat a fémporok szemcséi jellemzéséről.

Metal Powders & Additive Manufacturing Lézerfénydiffrakció képfeldolgozással kombinálva

A szemcsék méreteloszlása meghatározására sok iparágban a lézerfénydiffrakció a szabványos módszer. Ez az eljárás képes légáramba porlasztott vagy folyadékba szuszpendált szemcsék mérésére.

A mérési módszer azon az elven alapul, hogy a lézerfény a különböző méretű szemcséken különböző szögekben hajlik el (diffracted) vagy szóródik (scattered). A méreteloszlás számítása a szórt fény mintázata (intenzitáseloszlása) analízise alapján történik.

A mérési módszer erőssége a nagyfokú alkalmazhatósága, a könnyű kezelhetősége és a rendkívül széles, 10 nm - 4 mm közötti méréstartománya. A lézerfénydiffrakció azonban nem alkalmas a szemcsealak meghatározására.

Éppen ezen okból a Microtrac cég dinamikus képfeldolgozásra képes kamara modullal egészítette ki a  nagyteljesítményű SYNC lézerfénydiffrakció analizátorát. Ez ugyanazt a mérőcellát és ugyanazt a mintabevezető diszpergáló rendszert használja, mint a szórt fényt mérő készülékrész. 

Példa # Túlméretes szemcsék

Sok gyártási folyamatban - ideértve az additív gyártást is - zavart okoz a kis mennyiségű, nagy (túlméretes) szemcsék jelenléte. Pl. a fémporokban lévő ilyen szemcsék üregeket vagy gyenge pontokat hoznak létre a végtermékben.

Pusztán az átlagos szemcseméret meghatározása nem elégséges a gyártási teljesítmény megbecslésére. Egy bizonyos küszöbértéknél nagyobb szemcsék mennyiségét gondosan ellenőrizni kell. Definiálni lehet olyan minősítési specifikációt, mely szerint a szemcsék csupán kis hányada lehet nagyobb e kritikus értéknél.

Pl. előírható, hogy a szemcsék csak vv 0,01%-a lehet nagyobb 200 mikronnál. Az alábbi mérési példában különböző mennyiségű szennyező (túlméretes) szemcsét tartalmazó fémpormintákat készítettek gravimetrikusan, majd megmérték szemcseméret-eloszlásaikat. Ez bemutatja, hogy a CAMSIZER X2 analizátor 2-kamera rendszere képes megtalálni a nagy szemcsék okozta kis mennyiségű szennyezést. 

A fémpormintát előbb átszitálták 200 μm lyukméretű szitán, hogy a nagy szennyezéseket eltávolítsák. Ezt az átszitált fémport azután lemérték és ellenőrzött módon kis mennyiségű, nagy méretű szemcsét adtak hozzá.  Eredményül ismert mennyiségű szennyezést tartalmazó mintasorozatot kaptak. A koncentrációk a következők voltak: 0,005%, 0,01%, 0,02%, 0,05%, 0,1%, 0,2% és 1% (mindegyik w%). A szemcseméréseket kb. 35-40 g mintával végezték. A #9 és #10 ábra ill. a táblázat mutatja, hogy mennyire helyesen detektálja a túlméretes szemcsék mennyiségét a CAMSIZER analizátor. 

Lézerfénydiffrakció mérésről feltételezik, hogy még kedvező körülmények között is csak akkor képes detektálni a túlméretes szemcséket, ha azok >2 % koncentrációban vannak jelen. A lézerfénydiffrakció módszere az összes szemcse által egyidejűleg generált jelet dolgozza fel. Ezért is nevezik "szemcsesokaság" eljárásnak, szembeállítva az egyedi szemcséket mérő módszerekkel, mint amilyen a képfeldolgozás is, melyben minden egyes detektált szemcse egyedi mérési értéket is szolgáltat. A lézerfénydiffrakció módszerben, ha egy bizonyos méretfrakció aránya túl kicsi, akkor ezen méretű szemcsék fényszórási hozzájárulása is túl kicsi az összesített fényszóráshoz ahhoz, hogy megkülönböztethető legyen a háttérzajtól. Ez a körülmény nem kompenzálható nagyobb mennyiségű minta mérésével sem.
A képfeldolgozás és a lézerfénydiffrakció kombinálása ugyan javíthatja a szennyezések detektálási valószínűséget, de nem éri el a kifejezetten a képfeldolgozásra kialakított analizátor, pl. CAMSIZER X2 teljesítményét. Ez főleg a CAMSIZER X2 analizátor 14x nagyobb képfelvételi sebességének köszönhető. A SYNC készülék diszpergáló rendszere, mintaadagolása és optikai felépítése arra van optimalizálva, hogy a szórt fényről legyen képes begyűjteni rövid idő alatt kiváló adatokat - kiegészítve ezt még a képfeldolgozás lehetőségével. A CAMSIZER X2 analizátor egész hardvere viszont, azaz a diszpergálás, a mintabevitel, a fényforrások és a kamerák arra vannak optimalizálva, hogy sok képet legyenek képesek felvenni és kiértékelni rövid idő alatt. A kiértékelt szemcsék száma ill. a mért anyag mennyisége is sokkal nagyobb a  CAMSIZER X2 esetében.
Ettől eltekintve a SYNC készülék egyértelműen jobb teljesítményt nyújt a többi lézerfénydiffrakciós analizátorokhoz képest a túlméretes szemcsék detektálása tekintetében - és ezt a kiegészítő képfeldolgozó képességének köszönheti.

Példa # Szatellites szemcsék

Metal Powders & Additive Manufacturing Módszerek összehasonlítása és összefoglalás