Si può riutilizzare la polvere metallica ?

Esiste un modo affidabile per valutare l’impatto fisico del riutilizzo della polvere?

Può una migliore conservazione e pretrattamento migliorare le prestazioni della polvere metallica di produzione additiva?

Per molte applicazioni, l’AM non è economicamente sostenibile senza il riutilizzo della polvere. I processi di fusione del letto di polvere e di getto di legante hanno entrambi bassi tassi di incorporazione “per passaggio” e il semplice smaltimento della polvere residua non è un’opzione, specialmente quando si utilizzano costose materie prime in polvere metallica.

Tuttavia, ogni passaggio attraverso la stampante può influire sulle proprietà chimiche e fisiche della polvere. I cambiamenti fisici che influenzano comportamenti critici come la fluidità e la spalmabilità possono essere difficili da valutare quando si stabilisce una solida strategia di riutilizzo.

Cambiato per sempre? L’effetto del passaggio attraverso la stampante
La morfologia delle particelle – dimensioni e forma – è ampiamente riconosciuta come definizione delle prestazioni per le polveri AM e può cambiare notevolmente a causa del passaggio attraverso la stampante.

Le polveri metalliche per AM sono tipicamente di dimensioni inferiori a 50 µm, sebbene le particelle più grossolane, nell’intervallo di dimensioni da 50 a 150 µm, siano più adatte alla deposizione di fusione laser o fusione a fascio di elettroni. La distribuzione delle dimensioni delle particelle è controllata durante la produzione e da fasi di post-elaborazione come lo scalping. Il passaggio attraverso una stampante a letto di polvere tende a ridurre il livello di fini, particelle intorno ai 10 – 20 µm, tramite processi come l’agglomerazione e la fusione. Gli schizzi, gli schizzi di metallo fuso possono produrre particelle relativamente grandi, ma particelle più grandi da qualsiasi fonte possono essere spazzate dalla piattaforma di costruzione dal braccio di ricopertura e non utilizzate. Un restringimento della distribuzione delle dimensioni delle particelle è tipicamente il risultato netto di tutti questi effetti.

Quando si tratta di forma, il metodo di produzione è molto influente e le particelle vergini possono mostrare irregolarità e / o satelliti, grani di particelle più piccoli che aderiscono alla superficie di particelle più grandi. La temperatura / fusione può deformare la forma delle particelle mentre le sollecitazioni applicate durante la lavorazione possono rimuovere i satelliti, influenzando potenzialmente sia la forma che le dimensioni.

I cambiamenti morfologici possono influire direttamente sulle prestazioni della stampante. Ad esempio, i cambiamenti nella dimensione delle particelle alterano la risposta al calore, la facilità e la velocità con cui una particella si scioglie, ma altrettanto importante influenzano l’efficienza del processo e la qualità di stampa modificando caratteristiche come le prestazioni di confezionamento e la fluidità. Queste relazioni sono più difficili da identificare, ma cruciali.

Quantificazione della fluidità, confronto tra polveri usate e vergini
LPW Technology, ora parte di Carpenter Additive , un produttore leader di mercato di polveri metalliche per AM, ha condotto uno studio sulla fluidità delle polveri riutilizzate per supportare un cliente multinazionale che stabilisce strategie di riutilizzo 1 . Per quantificare la fluidità è stata utilizzata l’energia di fluidità di base (BFE), una proprietà dinamica della polvere misurata utilizzando il reometro per polveri FT4. L’obiettivo non era solo quello di rilevare le differenze – tra la polvere vergine e quella usata – ma anche di valutare le opzioni per riportare la polvere usata a uno stato comparabile, se si fosse deteriorata.

LPW ha investito nella capacità di misurare le proprietà dinamiche della polvere quando è diventato evidente che le tecniche tradizionali – angolo di riposo, densità di spillatura e indice di flusso di Hall, tutte eseguite secondo gli standard ASTM – non potevano razionalizzare in modo affidabile le differenze osservate nelle prestazioni AM. È stato riscontrato che lotti di polvere con specifiche “identiche” stampano in modo incoerente, in particolare nelle macchine più recenti e ad alta velocità. Inoltre, alcuni test tradizionali si sono rivelati inadatti per determinate polveri. Ad esempio, la portata di Hall non può differenziare le polveri meno scorrevoli, quelle che producono un risultato nullo. Il test dinamico è adatto a tutte le polveri e si è dimostrato rilevante e altamente differenziante per le polveri AM 2 .

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Grafico Freeman Tech
I valori BFE dei campioni vergini e usati e le miscele dei due sono mostrati sopra. La polvere vergine ha il BFE più basso e la polvere usata il più alto. Il passaggio attraverso la stampante ha alterato in modo significativo la fluidità, con il potenziale risultato di prestazioni di stampa inferiori. La setacciatura ha un impatto minore sulla fluidità ma non ristabilisce lo stato del materiale vergine.

La miscelazione è una strategia ovvia per il riutilizzo, quindi sono state testate anche miscele con diversi rapporti di materiali usati e vergini. Forse non sorprende che la miscela contenente la più alta proporzione di materiale vergine produca un valore BFE più vicino al materiale inutilizzato. Tuttavia, la miscela 50:50 ha generato un BFE maggiore rispetto alla miscela vergine 75: 25 utilizzata suggerendo una relazione non lineare ed evidenziando che le prestazioni sono influenzate da fattori diversi dal contenuto di vergine.

Implicazioni per le prestazioni di stampa
I dati precedenti mostrano che i materiali usati, vergini e miscelati possono essere differenziati in modo robusto in termini di scorrevolezza tramite test dinamici e che le proprietà delle miscele non possono essere facilmente previste. Polveri con BFE maggiore sono più resistenti a fluire sotto lo stress basso, condizioni forzate applicate durante la prova, condizioni che sono paragonabili al quelli praticati recoater come si diffonde in polvere attraverso la piattaforma di costruzione. BFE è una metrica utile per le applicazioni AM proprio a causa di questa rilevanza e della sensibilità della tecnica.

Figura 2a.jpg
Tuttavia, BFE da solo non può necessariamente catturare l’intero impatto del passaggio attraverso una stampante, nessuna singola proprietà della polvere può. Una delle lezioni più importanti che abbiamo imparato sui test delle polveri è l’importanza di far corrispondere le condizioni di test e di processo. In una stampante AM, le polveri sono soggette a una serie di condizioni, il che significa che è probabile che più aspetti del comportamento siano rilevanti. Ad esempio, nella tramoggia di alimentazione la polvere è soggetta alla forza di consolidamento del proprio peso, prima dello scarico; l’efficienza di confezionamento nel letto di polvere si colloca insieme alla velocità di dispersione sulla piattaforma di costruzione quando si tratta di alta produttività e stampa di alta qualità; e le sacche d’aria inibiscono il trasferimento di calore e possono tradursi in porosità e debolezza meccanica in una parte finita.

Figura 2b (2) .png
Una delle attrazioni della strumentazione per i test dinamici è che offre capacità complementari per la misurazione delle proprietà di massa e di taglio. Queste capacità consentono la caratterizzazione multiforme delle polveri riutilizzate e, in definitiva, ampliano l’ambito quando si studiano le relazioni tra le proprietà misurabili della polvere e le prestazioni di stampa.

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Tecnico Freeman
I risultati di uno studio condotto da ricercatori del National Center for Additive Manufacturing Excellence, Auburn University, utilizzando una polvere commerciale 17-4 PH SS (LPW Technology, UK) dimostrano il valore di questo approccio 3 . Il lotto 1 è polvere vergine con lotti successivi prodotti dalla polvere residua setacciata (schermo da 80 µm) dalla precedente tiratura di stampa.

I dati sulla densità apparente indicano che l’efficienza di impaccamento delle particelle aumenta costantemente, anche se non linearmente, con il riutilizzo. Ciò suggerisce che le polveri riutilizzate possono effettivamente essere preferite in termini di porosità del componente finito. Il rapporto di aerazione (AR) è una proprietà dinamica, il rapporto tra BFE misurato utilizzando un campione condizionato e quello misurato con l’aria che fluisce attraverso il campione a una velocità controllata. L’aerazione esercita un effetto separatore sulle particelle di polvere e l’AR è quindi fortemente influenzato da forze inter-particolari come la coesione.

I test meccanici rivelano che i valori AR riflettono una tendenza nella duttilità, valutata tramite test di trazione uniassiale, dove RA% è la riduzione dell’area e Ɛ f è la vera deformazione alla frattura. Ulteriori test 4 evidenziano la resistenza alla fatica superiore del lotto 15 ad alta frequenza di ciclo, un risultato attribuito a una porosità inferiore che può essere correlata alla densità apparente.

In questo caso, le proprietà dinamiche e di massa si sono rivelate entrambe rilevanti per la qualità di stampa. Vale anche la pena notare che le proprietà di taglio no. I dati sulla coesione non sono riusciti a differenziare i campioni più pesantemente riutilizzati (vedi grafico).

In conclusione
Chiunque lavori nel settore AM riconoscerà prontamente la difficoltà di caratterizzare in modo robusto le polveri usate per prendere decisioni sicure sul riutilizzo. In effetti, queste difficoltà riflettono quelle associate alla specifica delle polveri AM in prima istanza, come discusso in precedenza.

Per chi affronta questa sfida ci sono alcuni importanti spunti dal lavoro qui evidenziati. Uno è la sensibilità e la rilevanza delle proprietà dinamiche che si sono ripetutamente dimostrate illuminanti rispetto alle prestazioni AM. L’altro è il valore dei protocolli di test complementari, in particolare le misurazioni delle proprietà di massa che aiutano a chiarire l’efficienza di impaccamento, una caratteristica distintiva delle polveri AM. Avere più di un protocollo di test a portata di mano è molto vantaggioso quando si ottimizza l’uso della polvere AM.

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