Onderzoeksvooruitgang op het gebied van gasverneveling voor de bereiding van metaalpoeders die worden gebruikt bij 3D-printen
De 3D-printtechnologie, ook wel additive manufacturing genoemd, ontstond in de jaren dertig van de vorige eeuw. Het is een techniek waarbij onderdelen laag voor laag worden opgebouwd (bijvoorbeeld met behulp van metaalpoeders) op basis van een computer-gegenereerd drie-dimensionaal model. Vergeleken met traditionele subtractieve productie biedt 3D-printen voordelen zoals een grote ontwerpvrijheid, een hoog materiaalgebruik en de mogelijkheid om complexe structuren te fabriceren, wat brede toepassingsmogelijkheden biedt in de lucht- en ruimtevaart, medische apparatuur, precisieproductie en andere gebieden. De ontwikkeling van 3D-printen met metaal is sterk afhankelijk van hoogwaardige metaalpoeders, waarvan de eigenschappen rechtstreeks de kwaliteit en prestaties van geprinte onderdelen bepalen. Ideale metaalpoeders voor 3D-printen moeten een hoge bolvormigheid, kleine deeltjesgrootte, smalle deeltjesgrootteverdeling, hoge zuiverheid en goede vloeibaarheid bezitten.
Gasverneveling (GA), als de belangrijkste methode voor het produceren van metaalpoeders, ontstond in de jaren twintig van de vorige eeuw. Er wordt gebruik gemaakt van een hoge-gasstraal om op een stroom gesmolten metaal te botsen, waardoor het in kleine druppeltjes wordt gebroken die bij afkoeling tot bolvormige poeders stollen . Poeders die met deze methode worden geproduceerd, vertonen een uniforme samenstelling, hoge bolvormigheid en een laag onzuiverheidsgehalte, en zijn momenteel verantwoordelijk voor 30% -50% van de totale productie van metaalpoeders voor 3D-printen. Gasverneveling is echter een complex proces waarbij sprake is van de koppeling van een gas-vloeistofstroom in twee- fasen; subtiele veranderingen in procesparameters kunnen leiden tot aanzienlijke verschillen in poedereigenschappen, waardoor de prestaties van geprinte onderdelen worden beïnvloed. Daarom is een systematische review van de onderzoeksvoortgang op het gebied van gasverstuivingstechnologie van groot belang voor het bevorderen van de ontwikkeling van de 3D-printindustrie.
Prestatie-eisen van metaalpoeders voor 3D-printen
In het 3D-printproces dienen metaalpoeders als grondstof, en hun prestaties hebben rechtstreeks invloed op de uniformiteit van de poederspreiding, de sinterkwaliteit en de uiteindelijke mechanische eigenschappen van de onderdelen. Belangrijke prestatie-indicatoren zijn onder meer de zuiverheid van het poeder, de deeltjesgrootte, het zuurstofgehalte en de recycleerbaarheid.
2.1 Poederzuiverheid
De aanwezigheid van onzuiverheidselementen kan reageren met het basispoeder, waardoor de thermodynamische stabiliteit en mechanische eigenschappen van het materiaal worden verminderd. Ti-6Al-4V-legeringspoeder absorbeert bijvoorbeeld gemakkelijk N, O, H en andere elementen bij verhitting, wat leidt tot prestatievermindering. In sommige gevallen kunnen onzuiverheden echter positieve effecten hebben, zoals onzuiverheden in Al2O3-keramisch poeder die de sintertemperatuur kunnen verlagen en het proces kunnen vergemakkelijken. Daarom moet de poederzuiverheid worden aangepast aan de specifieke toepassing.
2.2 Deeltjesgrootte
De deeltjesgrootte heeft rechtstreeks invloed op de laagdikte van de poederverspreiding (doorgaans 50–100 μm) en de drijvende kracht bij het sinteren. Laservormprocessen gebruiken gewoonlijk poederdeeltjesgroottes van 30-50 μm, terwijl elektronenbundelvorming 50-90 μm gebruikt. Deeltjes die te fijn zijn, hebben de neiging om ongelijkmatige verspreiding en "balling"-verschijnselen te veroorzaken, terwijl overmatig grove deeltjes de divergentiehoek vergroten en de gebruiksefficiëntie verminderen. Idealiter is een mengsel van fijne en grove poeders in een geschikte verhouding nodig om de vloeibaarheid en sinterprestaties in evenwicht te brengen.
2.3 Zuurstofgehalte
Het zuurstofgehalte is voornamelijk afkomstig van het vernevelingsgas en de apparatuur. Hoge zuurstofverontreiniging kan voorafgaande deeltjesgrenzen (PPB) vormen, waardoor de prestaties van de legering verslechteren. Studies hebben aangetoond dat het zuurstofgehalte van poeders verband houdt met de deeltjesgrootte; naarmate de deeltjesgrootte kleiner wordt, neemt het zuurstofgehalte toe. Vacuümverwarming of reductiebehandeling kan het zuurstofgehalte effectief verminderen.
2.4 Recycleerbaarheid van poeder
De kosten van 3D-printpoeders zijn hoog en recycling kan grondstoffen aanzienlijk besparen. Na 21 gebruikscycli vertoonde Ti-6Al-4V-poeder bijvoorbeeld een toename van het zuurstofgehalte van slechts 0,08% naar 0,19%, en konden niet-gesmolten deeltjes opnieuw worden gebruikt. Het verhogen van het aantal recyclingcycli kan de tapdichtheid en de vloeibaarheid verbeteren zonder de microstructuur of mechanische eigenschappen te beïnvloeden.
Basisprincipes van poederproductie door gasverneveling
Bij gasverneveling wordt gebruik gemaakt van een hoge-gasstraal om een stroom gesmolten metaal in druppels te breken, die bij afkoeling vervolgens stollen tot bolvormige poeders. Het proces bestaat uit drie fasen: het smelten van het metaal, het botsen van de atomisatie en het afkoelen/stollen. Inerte gassen (bijv. stikstof, argon) worden gewoonlijk gebruikt als vernevelingsmedium om oxidatie te voorkomen. Het gasvernevelingsproces kan in vier zones worden verdeeld:
Zone I (negatieve drukturbulentiezone):Het vernevelingsgas creëert een negatieve druk bij de uitgang van het mondstuk, waardoor de gesmolten metaalstroom wordt aangezogen en in vloeibare stroken wordt verspreid.
Zone II (primaire druppelvormingszone):De vloeistofstroken worden aanvankelijk in druppels gebroken onder invloed van oppervlaktespanning en gasstroom.
Zone III (effectieve vernevelingszone):De hoge-gasstraal breekt de druppels verder af in fijnere deeltjes.
Zone IV (koel- en stollingszone):De druppels vallen vrij naar beneden en stollen bij afkoeling tot bolvormige poeders.