Η κατασκευή προσθέτων σύντηξης σε μορφή σκόνης (PBF) είναι η ταχύτερα αναπτυσσόμενη και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων. Προσφέρει πλεονεκτήματα όπως υψηλή ακρίβεια διαμόρφωσης, καλές μηχανικές ιδιότητες, σύνθετα εξαρτήματα και υψηλή απόδοση διαμόρφωσης. Οι σκόνες τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων που χρησιμοποιούνται συνήθως στην κατασκευή προσθέτων σύντηξης σε μορφή σκόνης περιλαμβάνουν κράματα τιτανίου, κράματα με βάση το νικέλιο, κράματα με βάση τον σίδηρο, κράματα κοβαλτίου-χρωμίου, κράματα αλουμινίου, κράματα χαλκού και πυρίμαχα μέταλλα όπως βολφράμιο, μολυβδαίνιο, ταντάλιο και νιόβιο.
Ως πρώτη ύλη, η ποιότητα των μεταλλικών σκονών καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Η καθαριότητα, η μορφολογία και η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων της σκόνης είναι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση διαμόρφωσης των εξαρτημάτων.
Καθαριότητα σκόνης
Η χημική σύνθεση των μεταλλικών σκονών για τρισδιάστατη εκτύπωση αποτελείται από μεταλλικά στοιχεία και ακαθαρσίες. Τα συνηθισμένα μεταλλικά στοιχεία περιλαμβάνουν Fe, Ti, Ni, Al, Cu, Co, Cr και πολύτιμα μέταλλα όπως Ag και Au. Οι ακαθαρσίες αποτελούνται κυρίως από μεταλλικές ενώσεις ή μη μεταλλικά συστατικά, όπως Si, Mn, C, S, P, O και άλλα που υπάρχουν στον αναγμένο σίδηρο. Μηχανικές εγκλείσεις, όπως SiO2, Al2O3, πυριτικά άλατα, αδιάλυτα μεταλλικά καρβίδια και άλλες αδιάλυτες σε οξέα ουσίες, μπορούν επίσης να εισαχθούν κατά τη διαδικασία παραγωγής πρώτων υλών και σκόνης. Οξυγόνο, υδρατμοί και άλλα αέρια μπορούν επίσης να προσροφηθούν στην επιφάνεια της σκόνης.
Όταν η δέσμη λέιζερ ή ηλεκτρονίων σαρώνει τη σκόνη, οι ακαθαρσίες ενδέχεται να αντιδράσουν με το βασικό μέταλλο, αλλοιώνοντας τις ιδιότητές του και επηρεάζοντας την ποιότητα των τρισδιάστατα εκτυπωμένων εξαρτημάτων. Επιπλέον, τα εγκλείσματα προκαλούν ανομοιόμορφη τήξη της σκόνης, με αποτέλεσμα εσωτερικά ελαττώματα στο τελικό εξάρτημα. Τα μηχανικά εγκλείσματα, ειδικότερα, μειώνουν σημαντικά την ανθεκτικότητα των εξαρτημάτων, ιδίως την ανθεκτικότητά τους σε κρούσεις. Η κατανομή και το σχήμα των μη μεταλλικών εγκλεισμάτων έχουν επίσης ποικίλες επιπτώσεις στα διαμορφωμένα εξαρτήματα.
Σε περιπτώσεις με υψηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο, η οξείδωση του βασικού μετάλλου σε υψηλές θερμοκρασίες σχηματίζει μια πυκνή μεμβράνη οξειδίου που επηρεάζει την απόδοση και μπορεί να οδηγήσει σε σφαιροποίηση, μειώνοντας τόσο την πυκνότητα όσο και την ποιότητα διαμόρφωσης των εξαρτημάτων. Στοιχεία όπως ο άνθρακας, ο φώσφορος, το θείο, το οξυγόνο και το άζωτο στον χάλυβα είναι ιδιαίτερα επιβλαβή για την ανθεκτικότητα. Επομένως, τα επίπεδα προσμίξεων και οι εγκλείσεις στη σκόνη θα πρέπει να ελέγχονται αυστηρά για να πληρούνται οι απαιτήσεις της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής και η απόδοση των τελικών εξαρτημάτων.
Μορφολογία σκόνης
ο μορφολογία της σκόνης επηρεάζει άμεσα την πυκνότητα και τη ρευστότητά της, γεγονός που με τη σειρά του επηρεάζει τη διαδικασία τροφοδοσίας της σκόνης και την τελική απόδοση του εξαρτήματος.
Στην κατασκευή προσθέτων σύντηξης κλίνης σκόνης, ο μηχανισμός διασποράς της σκόνης διασφαλίζει ότι τα σωματίδια της σκόνης κατανέμονται ομοιόμορφα στην περιοχή σχηματισμού. Η καλή ρευστότητα είναι απαραίτητη για την επίτευξη ομοιόμορφης και επίπεδης κλίνης σκόνης. Οι σφαιρικές και σχεδόν σφαιρικές σκόνες προσφέρουν καλή ρευστότητα, υψηλή πυκνότητα όγκου και ομοιόμορφη δομή, καθιστώντας τες τις προτιμώμενες πρώτες ύλες για την κατασκευή προσθέτων σύντηξης κλίνης σκόνης.
Ωστόσο, εάν υπάρχουν κοίλες ή δορυφορικές σκόνες σε σφαιρικές και σχεδόν σφαιρικές σκόνες, η τελική απόδοση του εξαρτήματος θα επηρεαστεί αρνητικά. Η κοίλη σκόνη είναι πιο συχνή σε σκόνες με μεγέθη σωματιδίων μεγαλύτερα από 70µm, οδηγώντας σε ελαττώματα όπως πόρους που είναι δύσκολο να εξαλειφθούν στο διαμορφωμένο εξάρτημα. Η δορυφορική σκόνη μειώνει τη ρευστότητα και εμποδίζει την ομοιόμορφη συσσώρευση σκόνης. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει κατά την εξάπλωση των συνεχών στρωμάτων σκόνης, με αποτέλεσμα ελαττώματα εξαρτήματος. Επομένως, οι μεταλλικές σκόνες για την κατασκευή προσθέτων σύντηξης κλίνης σκόνης θα πρέπει να ελαχιστοποιούν την αναλογία κοίλων και δορυφορικών σκονών.
Κατανομή μεγέθους σωματιδίων σκόνης
Η κατανομή μεγέθους σωματιδίων σκόνης χαρακτηρίζει τη σύνθεση και την ποικιλομορφία των σωματιδίων με διαφορετικά μεγέθη στο σύστημα σκόνης. Είναι μια σημαντική παράμετρος για την περιγραφή των χαρακτηριστικών των σωματιδίων σκόνης. Το μέγεθος των σωματιδίων επηρεάζει άμεσα την ποιότητα τοποθέτησης της σκόνης, την ταχύτητα σχηματισμού, την ακρίβεια και την οργανωτική ομοιομορφία κατά τη διάρκεια της διαδικασίας προσθετικής παραγωγής. Διαφορετικές διαδικασίες απαιτούν διαφορετικά μεγέθη σωματιδίων σκόνης. Η τεχνολογία επιλεκτικής τήξης με λέιζερ (SLM) χρησιμοποιεί σκόνες με μεγέθη σωματιδίων 15 – 45 µm, ενώ η τεχνολογία επιλεκτικής τήξης με δέσμη ηλεκτρονίων (SEBM) χρησιμοποιεί σκόνες 45 – 106 µm.
Από θερμοδυναμικής και κινητικής άποψης, τα μικρότερα σωματίδια σκόνης έχουν μεγαλύτερες επιφάνειες, αυξάνοντας την κινητήρια δύναμη σύντηξης. Τα μικρά σωματίδια βοηθούν στον σχηματισμό εξαρτημάτων. Ωστόσο, οι υπερβολικά λεπτές σκόνες μειώνουν τη ρευστότητα, μειώνουν την πυκνότητα, μειώνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα και προκαλούν σφαιροποίηση κατά την εκτύπωση. Οι χονδρόκοκκες σκόνες μειώνουν τη δραστηριότητα σύντηξης, εμποδίζουν την ομοιομορφία εξάπλωσης της σκόνης και μειώνουν την ακρίβεια χύτευσης. Έτσι, η εξισορρόπηση χονδρόκοκκων και λεπτών σκονών είναι απαραίτητη για τη βελτίωση της πυκνότητας όγκου και της ρευστότητας, ωφελώντας την κατασκευή προσθέτων σύντηξης κλίνης σκόνης.
Η έρευνα υποδηλώνει ότι μια ευρύτερη κατανομή μεγέθους σωματιδίων βελτιώνει την πυκνότητα της κλίνης σκόνης κατά την επάλειψη. Τα μικρότερα σωματίδια γεμίζουν τα κενά μεταξύ των μεγαλύτερων, ενισχύοντας την πυκνότητα.
Συνοχή σκόνης
Στην σύντηξη κλίνης σκόνης με λέιζερ, στρώματα μεταλλικής σκόνης απλώνονται και τήκονται με λέιζερ. Η συνοχή της σκόνης επηρεάζει την ομοιομορφία της εξάπλωσης και την ποιότητα σχηματισμού. Η συνοχή, μαζί με το μέγεθος και τη μορφολογία των σωματιδίων, είναι ένας βασικός παράγοντας. Στις φαρμακευτικές και βιομηχανίες τροφίμων, η επίδραση της συνοχής της σκόνης στη ρευστότητα έχει μελετηθεί εκτενώς. Η συνοχή επηρεάζεται από παράγοντες όπως το μηχανικό φορτίο, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των σωματιδίων και οι τριχοειδείς δυνάμεις από την προσροφημένη υγρασία. Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν τη ρευστότητα, η οποία επηρεάζει την εξάπλωση.
Οι αλλαγές στο μέγεθος των σωματιδίων, τη μορφολογία και τις επιφανειακές ιδιότητες επηρεάζουν την ποιότητα εξάπλωσης και σχηματισμού. Μια λογική κατανομή μεγέθους, η υψηλότερη σφαιρικότητα και η μειωμένη συνοχή βελτιώνουν την πυκνότητα όγκου και την ποιότητα εξάπλωσης. Αυτό μειώνει τους πόρους και τα μη συντηγμένα ελαττώματα, βελτιώνοντας την πυκνότητα και την ποιότητα του τελικού εξαρτήματος.
Τρέχουσα Κατάσταση της Βιομηχανίας Σκόνης Μετάλλου για Προσθετική Κατασκευή
Η Κίνα έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στην Έρευνα και Ανάπτυξη μεταλλικών σκονών και στη βιομηχανοποίηση για τη σύντηξη κλινών σκόνης. Ωστόσο, υστερεί σε σχέση με ξένα έθνη. Οι βασικές τεχνολογίες και ο εξοπλισμός ελέγχονται κυρίως από χώρες όπως η Γερμανία, οι ΗΠΑ και το Ηνωμένο Βασίλειο. Εταιρείες όπως οι Carpenter and GE (ΗΠΑ), LPW, Sandvik και GKN (Ηνωμένο Βασίλειο), και Höganäs (Σουηδία) κατέχουν πάνω από 60% διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας σε σκόνη κραμάτων τιτανίου για την προσθετική κατασκευή. Ορισμένες χώρες περιορίζουν την εξαγωγή σφαιρικών μεταλλικών σκονών, όπως κράματα τιτανίου, αυξάνοντας το κόστος των πρώτων υλών και επεκτείνοντας τους κύκλους εφοδιασμού. Αυτό εμποδίζει την ανάπτυξη των βιομηχανιών σύντηξης κλινών σκόνης και κατασκευής προσθετικών μετάλλων της Κίνας.
Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η Κίνα θα πρέπει να αναπτύξει συστήματα μεταλλικών κραμάτων (όπως κράματα τιτανίου) με ανεξάρτητη πνευματική ιδιοκτησία. Η επίλυση βασικών προκλήσεων στην παραγωγή σφαιρικών σκονών υψηλής ποιότητας θα μειώσει το κόστος, θα αυξήσει την παραγωγή και θα ωφελήσει βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική και η βιοϊατρική.
Μηχανήματα Epic Powder
Μηχανήματα Epic Powder είναι κορυφαίος πάροχος προηγμένου εξοπλισμού επεξεργασίας σκόνης για την προσθετική κατασκευή και άλλες βιομηχανίες. Με έμφαση στην καινοτομία και την ποιότητα, προσφέρουμε λύσεις αιχμής για τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων της σκόνης, τη βελτίωση της απόδοσης των διαδικασιών τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων και την κάλυψη των συγκεκριμένων αναγκών των πελατών μας. Είτε παράγετε μεταλλικές σκόνες για προσθετική κατασκευή είτε βελτιώνετε τα χαρακτηριστικά της σκόνης για άλλες εφαρμογές, Epic Powder έχει δεσμευτεί να παρέχει αξιόπιστο, υψηλής απόδοσης εξοπλισμό που οδηγεί στην επιτυχία στις βιομηχανίες με βάση την σκόνη.