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A manufatura aditiva (AM) envolve a criação de objetos tridimensionais, uma camada ultrafina por vez, tornando-a mais cara do que a usinagem tradicional.Porém, apenas uma pequena parte do pó depositado durante o processo de montagem é soldada no componente.O resto não derrete, então pode ser reaproveitado.Por outro lado, se o objeto for criado de forma clássica, geralmente é necessária a remoção de material por fresamento e usinagem.
As características do pó determinam os parâmetros da máquina e devem ser consideradas primeiro.O custo da AM seria antieconómico, dado que o pó não derretido está contaminado e não é reciclável.Danos aos pós resultam em dois fenômenos: modificação química do produto e alterações nas propriedades mecânicas, como morfologia e distribuição do tamanho das partículas.
No primeiro caso, a principal tarefa é criar estruturas sólidas contendo ligas puras, por isso é necessário evitar a contaminação do pó, por exemplo, com óxidos ou nitretos.Neste último caso, estes parâmetros estão associados à fluidez e espalhabilidade.Portanto, qualquer alteração nas propriedades do pó pode levar a uma distribuição não uniforme do produto.
Dados de publicações recentes indicam que os medidores de vazão clássicos não podem fornecer informações adequadas sobre a fluidez do pó na produção de aditivos para leitos de pó.No que diz respeito à caracterização de matérias-primas (ou pós), existem no mercado vários métodos de medição apropriados que podem satisfazer este requisito.O estado de tensão e o campo de fluxo do pó devem ser iguais na célula de medição e no processo.A presença de cargas compressivas é incompatível com o fluxo superficial livre usado em dispositivos AM em testadores de células de cisalhamento e reômetros clássicos.
A GranuTools desenvolveu fluxos de trabalho para caracterização de pós na fabricação aditiva.Nosso principal objetivo era ter uma ferramenta por geometria para modelagem precisa do processo, e esse fluxo de trabalho foi usado para compreender e acompanhar a evolução da qualidade do pó em múltiplas passagens de impressão.Várias ligas de alumínio padrão (AlSi10Mg) foram selecionadas para diferentes durações e diferentes cargas térmicas (de 100 a 200 °C).
A degradação térmica pode ser controlada analisando a capacidade do pó de armazenar carga.Os pós foram analisados quanto à fluidez (instrumento GranuDrum), cinética de empacotamento (instrumento GranuPack) e comportamento eletrostático (instrumento GranuCharge).Medições de coesão e cinética de empacotamento estão disponíveis para as seguintes massas de pó.
Os pós que se espalham facilmente terão um baixo índice de coesão, enquanto os pós com dinâmica de enchimento rápido produzirão peças mecânicas com menos porosidade em comparação com produtos que são mais difíceis de encher.
Foram selecionados três pós de liga de alumínio (AlSi10Mg) armazenados em nosso laboratório por vários meses, com diferentes distribuições granulométricas, e uma amostra de aço inoxidável 316L, aqui denominadas amostras A, B e C.As características das amostras podem diferir de outras.fabricantes.A distribuição do tamanho das partículas da amostra foi medida por análise de difração a laser/ISO 13320.
Como controlam os parâmetros da máquina, as propriedades do pó devem ser consideradas primeiro, e se considerarmos que o pó não derretido está contaminado e não reciclável, o custo da fabricação aditiva não será tão econômico quanto gostaríamos.Portanto, três parâmetros serão investigados: fluxo de pó, cinética de empacotamento e eletrostática.
A espalhabilidade está relacionada à uniformidade e “suavidade” da camada de pó após a operação de repintura.Isto é muito importante porque superfícies lisas são mais fáceis de imprimir e podem ser examinadas com a ferramenta GranuDrum com medição do índice de adesão.
Como os poros são pontos fracos de um material, eles podem causar rachaduras.A dinâmica de empacotamento é o segundo parâmetro crítico porque os pós de empacotamento rápido têm baixa porosidade.Este comportamento foi medido com GranuPack com valor n1/2.
A presença de carga elétrica no pó cria forças coesivas que levam à formação de aglomerados.GranuCharge mede a capacidade de um pó gerar uma carga eletrostática ao entrar em contato com um material selecionado durante o fluxo.
Durante o processamento, o GranuCharge pode prever a deterioração do fluxo, como a formação de camadas em AM.Assim, as medidas obtidas são muito sensíveis ao estado da superfície do grão (oxidação, contaminação e rugosidade).O envelhecimento do pó recuperado pode então ser quantificado com precisão (±0,5 nC).
O GranuDrum baseia-se no princípio de um tambor rotativo e é um método programado para medir a fluidez de um pó.Um cilindro horizontal com paredes laterais transparentes contém metade da amostra de pó.O tambor gira em torno de seu eixo a uma velocidade angular de 2 a 60 rpm, e a câmera CCD tira fotos (de 30 a 100 imagens em intervalos de 1 segundo).A interface ar/pó é identificada em cada imagem usando um algoritmo de detecção de bordas.
Calcule a posição média da interface e as oscilações em torno desta posição média.Para cada velocidade de rotação, o ângulo de fluxo (ou “ângulo dinâmico de repouso”) αf é calculado a partir da posição média da interface, e o índice de adesão dinâmica σf, que se refere à ligação interpartículas, é analisado a partir das flutuações da interface.
O ângulo de fluxo é influenciado por vários parâmetros: atrito entre partículas, forma e coesão (van der Waals, forças eletrostáticas e capilares).Os pós coesivos resultam em fluxo intermitente, enquanto os pós não coesivos resultam em fluxo regular.Valores menores do ângulo de fluxo αf correspondem a boas propriedades de fluxo.Um índice de adesão dinâmica próximo de zero corresponde a um pó não coesivo, portanto, à medida que a adesão do pó aumenta, o índice de adesão aumenta proporcionalmente.
GranuDrum permite medir o ângulo da primeira avalanche e aeração do pó durante o fluxo, bem como medir o índice de adesão σf e o ângulo de fluxo αf dependendo da velocidade de rotação.
As medições de densidade aparente, densidade de vazamento e razão de Hausner GranuPack (também chamadas de “testes de toque”) são muito populares na caracterização de pós devido à facilidade e velocidade de medição.A densidade do pó e a capacidade de aumentar sua densidade são parâmetros importantes durante o armazenamento, transporte, aglomeração, etc. O procedimento recomendado está descrito na Farmacopeia.
Este teste simples tem três desvantagens principais.As medições dependem do operador e o método de enchimento afeta o volume inicial de pó.Medições visuais de volume podem levar a erros graves nos resultados.Devido à simplicidade do experimento, negligenciamos a dinâmica de compactação entre as dimensões inicial e final.
O comportamento do pó alimentado na saída contínua foi analisado utilizando equipamento automatizado.Meça com precisão o coeficiente de Hausner Hr, a densidade inicial ρ(0) e a densidade final ρ(n) após n cliques.
O número de toques geralmente é fixado em n=500.O GranuPack é uma medição de densidade de rosqueamento automatizada e avançada baseada nas mais recentes pesquisas dinâmicas.
Outros índices podem ser usados, mas não estão listados aqui.O pó é colocado em tubos metálicos e passa por um rigoroso processo de inicialização automática.A extrapolação do parâmetro dinâmico n1/2 e da densidade máxima ρ(∞) é retirada da curva de compactação.
Um cilindro oco leve fica no topo do leito de pó para manter o nível da interface pó/ar durante a compactação.O tubo contendo a amostra de pó sobe até uma altura fixa ∆Z e depois cai livremente até uma altura, geralmente fixada em ∆Z = 1 mm ou ∆Z = 3 mm, medida automaticamente após cada impacto.Pela altura, você pode calcular o volume V da pilha.
A densidade é a razão entre a massa m e o volume V da camada de pó.A massa do pó m é conhecida, a densidade ρ é aplicada após cada liberação.
O coeficiente de Hausner Hr está relacionado à taxa de compactação e é analisado pela equação Hr = ρ(500) / ρ(0), onde ρ(0) é a densidade aparente inicial e ρ(500) é a densidade aparente calculada após 500 torneiras.Os resultados são reproduzíveis com uma pequena quantidade de pó (geralmente 35 ml) utilizando o método GranuPack.
As propriedades do pó e a natureza do material do qual o dispositivo é feito são parâmetros fundamentais.Durante o fluxo, cargas eletrostáticas são geradas no interior do pó, e essas cargas são causadas pelo efeito triboelétrico, a troca de cargas quando dois sólidos entram em contato.
Quando o pó flui dentro do dispositivo, ocorrem efeitos triboelétricos no contato entre as partículas e no contato entre a partícula e o dispositivo.
Ao entrar em contato com o material selecionado, o GranuCharge mede automaticamente a quantidade de carga eletrostática gerada no interior do pó durante o fluxo.Uma amostra do pó flui em um tubo em V vibrante e cai em um copo de Faraday conectado a um eletrômetro que mede a carga que o pó adquire à medida que se move através do tubo em V.Para resultados reproduzíveis, alimente o tubo em V frequentemente com um dispositivo rotativo ou vibratório.
O efeito triboelétrico faz com que um objeto ganhe elétrons em sua superfície e, portanto, fique carregado negativamente, enquanto outro objeto perde elétrons e, portanto, fica carregado positivamente.Alguns materiais ganham elétrons mais facilmente do que outros e, da mesma forma, outros materiais perdem elétrons com mais facilidade.
Qual material se torna negativo e qual se torna positivo depende da tendência relativa dos materiais envolvidos em ganhar ou perder elétrons.Para representar essas tendências, foi desenvolvida a série triboelétrica mostrada na Tabela 1.Os materiais que tendem a ter carga positiva e outros que tendem a ter carga negativa são listados no meio da tabela, enquanto os materiais que não apresentam tendências comportamentais são listados.
Por outro lado, esta tabela fornece apenas informações sobre a tendência do comportamento da carga do material, portanto o GranuCharge foi criado para fornecer valores precisos do comportamento da carga de pó.
Vários experimentos foram realizados para analisar a decomposição térmica.As amostras foram deixadas a 200°C por uma a duas horas.O pó é então imediatamente analisado com GranuDrum (nome térmico).O pó é então colocado num recipiente até atingir a temperatura ambiente e depois analisado usando GranuDrum, GranuPack e GranuCharge (ou seja, “frio”).
As amostras brutas foram analisadas usando GranuPack, GranuDrum e GranuCharge na mesma umidade/temperatura ambiente, ou seja, umidade relativa 35,0 ± 1,5% e temperatura 21,0 ± 1,0 °C.
O índice de coesão calcula a fluidez de um pó e correlaciona-se com mudanças na posição da interface (pó/ar), que reflete apenas três forças de contato (van der Waals, capilar e eletrostática).Antes do experimento, registre a umidade relativa (UR,%) e a temperatura (°C).Em seguida, despeje o pó no recipiente do tambor e inicie o experimento.
Concluímos que estes produtos não eram sensíveis à aglomeração quando considerados os parâmetros tixotrópicos.Curiosamente, o estresse térmico alterou o comportamento reológico dos pós das amostras A e B de espessamento por cisalhamento para afinamento por cisalhamento.Por outro lado, as Amostras C e SS 316L não foram afetadas pela temperatura e apresentaram apenas espessamento por cisalhamento.Cada pó apresentou melhor espalhabilidade (ou seja, menor índice de coesão) após aquecimento e resfriamento.
O efeito da temperatura também depende da área superficial específica das partículas.Quanto maior for a condutividade térmica do material, maior será o efeito na temperatura (ou seja, ???225°?=250?.?-1.?-1) e ?316?225°?=19?.?-1.?-1), quanto menores as partículas, mais importante é o efeito da temperatura.Trabalhar em temperaturas elevadas é uma boa escolha para pós de liga de alumínio devido à sua maior espalhabilidade, e amostras resfriadas alcançam fluidez ainda melhor em comparação com pós puros.
Para cada experimento GranuPack, o peso do pó foi registrado antes de cada experimento, e a amostra foi submetida a 500 impactos com frequência de impacto de 1 Hz com queda livre da célula de medição de 1 mm (energia de impacto ∝).As amostras são dispensadas nas células de medição de acordo com as instruções do software, independentes do usuário.As medidas foram então repetidas duas vezes para avaliar a reprodutibilidade e examinar a média e o desvio padrão.
Após a conclusão da análise GranuPack, densidade de empacotamento inicial (ρ(0)), densidade de empacotamento final (em vários cliques, n = 500, ou seja, ρ(500)), razão de Hausner/índice de Carr (Hr/Cr) e dois registrados parâmetros (n1/2 e τ) relacionados à dinâmica de compactação.A densidade ideal ρ(∞) também é mostrada (ver Apêndice 1).A tabela abaixo reorganiza os dados experimentais.
As Figuras 6 e 7 mostram as curvas gerais de compactação (densidade aparente versus número de impactos) e a relação do parâmetro n1/2/Hausner.Barras de erro calculadas usando médias são mostradas em cada curva, e os desvios padrão foram calculados a partir de testes de repetibilidade.
O produto de aço inoxidável 316L foi o produto mais pesado (ρ(0) = 4,554 g/mL).Em termos de densidade de vazamento, o SS 316L ainda é o pó mais pesado (ρ(n) = 5,044 g/mL), seguido pela Amostra A (ρ(n) = 1,668 g/mL), seguida pela Amostra B (ρ (n) = 1,668 g/ml) (n) = 1,645 g/ml).A amostra C foi a mais baixa (ρ(n) = 1,581 g/mL).De acordo com a densidade aparente do pó inicial, vemos que a amostra A é a mais leve, e levando em consideração o erro (1,380 g/ml), as amostras B e C apresentam aproximadamente o mesmo valor.
Quando o pó é aquecido, sua relação Hausner diminui, o que ocorre apenas para as amostras B, C e SS 316L.Para a Amostra A, isso não pode ser feito devido ao tamanho das barras de erro.Para n1/2, as tendências dos parâmetros são mais difíceis de identificar.Para a amostra A e SS 316L, o valor de n1/2 diminuiu após 2 h a 200°C, enquanto para os pós B e C aumentou após a carga térmica.
Um alimentador vibratório foi usado para cada experimento GranuCharge (ver Figura 8).Use tubo de aço inoxidável 316L.As medições foram repetidas 3 vezes para avaliar a reprodutibilidade.O peso do produto utilizado para cada medição foi de aproximadamente 40 ml e nenhum pó foi recuperado após a medição.
Antes do experimento, o peso do pó (mp, g), a umidade relativa do ar (UR,%) e a temperatura (°C) são registrados.No início do teste, meça a densidade de carga do pó primário (q0 em μC/kg) introduzindo o pó no copo de Faraday.Finalmente, registre a massa do pó e calcule a densidade de carga final (qf, μC/kg) e Δq (Δq = qf – q0) no final do experimento.
Os dados brutos do GranuCharge são mostrados na Tabela 2 e na Figura 9 (σ é o desvio padrão calculado a partir dos resultados do teste de reprodutibilidade) e os resultados são apresentados como histogramas (apenas q0 e Δq são mostrados).O SS 316L teve o menor custo inicial;isso pode ser devido ao fato deste produto ter o PSD mais alto.Em relação à quantidade de carga inicial do pó primário da liga de alumínio, nenhuma conclusão pode ser tirada devido ao tamanho dos erros.
Após contato com tubo de aço inoxidável 316L, a amostra A adquiriu a menor quantidade de carga em comparação aos pós B e C, o que destaca uma tendência semelhante, quando o pó SS 316L é esfregado com SS 316L, uma densidade de carga próxima de 0 é encontrada (ver triboelétrico Series).O produto B ainda está mais carregado que A. Para a amostra C, a tendência continua (carga inicial positiva e carga final após vazamento), mas o número de cargas aumenta após a degradação térmica.
Após 2 horas de estresse térmico a 200 °C, o comportamento do pó torna-se espetacular.Nas amostras A e B, a carga inicial diminui e a carga final muda de negativa para positiva.O pó SS 316L teve a carga inicial mais alta e sua mudança na densidade de carga tornou-se positiva, mas permaneceu baixa (ou seja, 0,033 nC/g).
Nós investigamos o efeito da degradação térmica no comportamento combinado de pós de liga de alumínio (AlSi10Mg) e aço inoxidável 316L enquanto analisamos os pós originais em ar ambiente após 2 horas a 200°C.
O uso de pós em alta temperatura pode melhorar a espalhabilidade do produto, e este efeito parece ser mais importante para pós com alta área superficial específica e materiais com alta condutividade térmica.O GranuDrum foi utilizado para avaliar o fluxo, o GranuPack foi utilizado para análise de enchimento dinâmico e o GranuCharge foi utilizado para analisar a triboeletricidade do pó em contato com tubos de aço inoxidável 316L.
Esses resultados foram estabelecidos utilizando o GranuPack, que mostra a melhoria do coeficiente de Hausner para cada pó (com exceção da amostra A devido ao erro de tamanho) após o processo de estresse térmico.Observando os parâmetros de embalagem (n1/2), não houve tendências claras, pois alguns produtos apresentaram um aumento na velocidade de embalagem, enquanto outros tiveram um efeito contrastante (por exemplo, Amostras B e C).
Horário da postagem: 10 de janeiro de 2023