Apakah ukuran partikel serbuk logam mempengaruhi kualitas cetakan cetakan?

一, Pengaruh ukuran partikel terhadap kualitas cetak: efek sinergis dalam lebih dari satu cara
1. Bedak tersebar merata: Kepadatan lapisan bedak didasarkan pada ukuran partikel.
Langkah pertama dalam pencetakan 3D logam adalah distribusi bubuk, dan pemerataannya berdampak langsung pada kualitas awal cetakan. Partikel serbuk yang berukuran kecil (kurang dari 15 μm) cenderung saling menempel karena memiliki energi permukaan yang besar. Hal ini dapat menyebabkan rongga atau gumpalan pada lapisan bedak. Sebaliknya, jika partikelnya terlalu besar (lebih dari 53 μm), partikel tersebut dapat mengalir dengan baik namun membatasi ketebalan lapisan minimum, sehingga sulit untuk membuat fitur halus seperti struktur-berdinding tipis. Misalnya, ketika menggunakan bubuk baja tahan karat 316L dengan partikel berukuran 15 hingga 45 μm dalam proses SLM, ketebalan lapisan bubuk dapat dijaga antara 30 dan 50 μm, dan kepadatan lapisan bubuk dapat mencapai 99,2%. Namun seiring dengan bertambahnya ukuran partikel di atas kisaran ini, porositasnya pun meningkat pesat.
Kewajaran distribusi ukuran partikel juga sama pentingnya. Menggunakan distribusi bimodal (mencampur partikel kasar dan halus) membantu meningkatkan kepadatan pengepakan bubuk. Partikel halus mengisi ruang di antara partikel kasar, yang meningkatkan kepadatan pengepakan lepas sebesar 10% hingga 15%. Hal ini mengurangi cacat internal pada cetakan. Dengan meningkatkan rasio ukuran partikel bubuk Ti6Al4V (D50=35 μ m, D90=50 μ m), sebuah perusahaan penerbangan tertentu meningkatkan kepadatan cetakan bilah turbin dari 98,5% menjadi 99,7% dan umur kelelahan sebesar 20%.
2. Stabilitas kolam: keseimbangan antara ukuran partikel dan penyerapan energi yang berubah seiring waktu
Kolam cair adalah bagian utama tempat bubuk logam meleleh, dan kestabilannya bergantung pada seberapa baik bubuk tersebut menyerap energi berkas laser/elektron. partikel kecil memiliki luas permukaan spesifik yang besar dan tingkat penyerapan panas yang cepat. Namun, bedak yang terlalu kecil (seperti<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 μm, tingkat cacat fusi parsial meningkat hingga 15%.
Distribusi ukuran partikel yang tidak merata juga dapat menyebabkan ketidaksetaraan konduksi panas di area tertentu, yang dapat berkontribusi terhadap konsentrasi tegangan sisa. Sebuah penelitian menemukan bahwa penggunaan bubuk Inconel 718 dengan distribusi ukuran partikel yang luas (10–100 μm) untuk mencetak cetakan meningkatkan tegangan sisa sebesar 30% dibandingkan dengan distribusi terbatas (20–50 μm). Hal ini membuat risiko deformasi melengkung jauh lebih tinggi.
3. Kualitas dan akurasi permukaan: kontrol langsung ukuran partikel terhadap kekasaran
Kekasaran permukaan cetakan merupakan cara yang baik untuk mengetahui seberapa baik hasil pencetakan, karena berbanding lurus dengan ukuran partikel bubuk. Semakin kecil partikelnya, semakin halus permukaannya. Namun jika serbuk terlalu halus, maka tidak akan mengalir dengan baik dan dapat menyebabkan penyebaran serbuk tidak merata sehingga membuat permukaan menjadi lebih kasar. Misalnya, jika Anda menggunakan cetakan cetak bubuk 316L dengan D50 25 μm, Anda dapat menjaga kekasaran permukaan Ra dalam 8 μm. Namun jika menggunakan bedak dengan D50 15 μm, nilai Ra akan melebihi 15 μm karena partikelnya saling menempel.
Saat memilih ukuran partikel untuk cetakan struktural yang kompleks (seperti saluran pendingin konformal), Anda perlu menemukan kompromi antara akurasi dan kemudahan penggunaan. Salah satu perusahaan yang membuat cetakan untuk mobil mampu membuat bentuk yang akurat dengan bukaan minimal 0,5 mm dengan memanfaatkan bubuk baja berumur martensit dengan ukuran partikel 30–60 μm. Mereka juga memastikan bahwa kekasaran Ra dinding bagian dalam saluran air kurang dari atau sama dengan 10 μm.
2, Adaptasi ukuran partikel dari proses umum: kebutuhan yang berbeda untuk SLM dan EBM
1. Proses SLM: kombinasi ukuran partikel kecil dan akurasi tinggi
Teknik SLM menggunakan laser sebagai sumber energi, dan diameter titik terkonsentrasi biasanya antara 50 dan 100 μm. Jadi, Anda harus memilih bubuk-berbutir halus (15–53 μm) yang sesuai dengan ukuran noda. Partikel halus dapat dengan cepat menyerap energi laser dan menciptakan kumpulan lelehan yang homogen, namun jumlah oksigen harus dijaga di bawah 150 ppm untuk menghindari masuknya oksida. Misalnya, saat membuat cetakan untuk implan ortopedi paduan titanium, bubuk TC4 dengan ukuran partikel 20–45 μm dan tingkat oksigen 80 ppm dapat memenuhi standar presisi tinggi dengan toleransi bukaan ± 0,02 mm dan kekasaran permukaan Ra < 5 μm.
2. Proses EBM: menemukan kompromi antara ukuran partikel besar dan efisiensi tinggi.
Metode EBM menggunakan berkas elektron sebagai sumber energinya. Sifat distribusi kepadatan energinya lebih baik untuk melelehkan partikel kasar (53–150 μm). Partikel kasar dapat menurunkan jumlah lapisan bubuk, mempercepat pencetakan, dan menurunkan tegangan sisa. Ketika sebuah perusahaan mesin penerbangan tertentu menggunakan EBM untuk membuat cetakan cakram turbin paduan suhu tinggi-bersuhu tinggi-berbasis nikel, perusahaan tersebut memilih bubuk dengan partikel berukuran 60 hingga 105 μm. Deformasi lengkungan dipertahankan dalam 0,1 mm pada suhu pemanasan awal 700 derajat, dan kecepatan pencetakan tiga kali lebih cepat daripada SLM.
3. Proses LENSA: mencocokkan ukuran partikel dan stabilitas pemberian bubuk
Teknik LENS (Laser Near Clean Forming) menggunakan pendekatan pengumpanan bubuk koaksial. Untuk memastikan pengumpanan bubuk stabil, bubuk kasar dengan ukuran partikel 105 hingga 180 μm harus dipilih. Partikel kasar dapat membantu menjaga tabung pengisi bubuk agar tidak tersumbat, namun kecepatan pemindaian (600–1000 mm/s) perlu diatur ke tingkat yang tepat untuk menghindari kesalahan fusi yang tidak lengkap. Sebuah perusahaan perbaikan cetakan tertentu menggunakan teknologi LENS untuk memperbaiki cetakan die-casting, menggunakan bubuk baja H13 dengan partikel berukuran 120–150 μm. Dengan kekuatan laser 1000W dan kecepatan pemindaian 800mm/s, kekuatan ikatan metalurgi antara lapisan perbaikan dan substrat ditemukan setidaknya 400MPa.
3,Strategi untuk mengoptimalkan ukuran partikel: kontrol penuh atas proses mulai dari persiapan hingga pasca-perawatan
1. Persiapan bubuk: memilih antara teknologi aerosolisasi dan PREP
Atomisasi gas (GA) kini menjadi cara paling umum untuk membuat bubuk karena murah dan berfungsi dengan baik. Namun seringkali membuat serbuk satelit (partikel kecil yang menempel pada permukaan partikel yang lebih besar) dan serbuk berongga sehingga menurunkan kualitas cetakan. Proses atomisasi elektroda berputar plasma (PREP) dapat menghasilkan-bubuk berkualitas tinggi dengan kebulatan lebih dari 98% dan kandungan bubuk satelit kurang dari 0,5% dengan melebur logam menggunakan elektroda berputar berkecepatan tinggi. Namun peralatannya mahal. Pembuat cetakan kelas atas telah meningkatkan masa pakai bubuk 316L yang dibuat menggunakan proses PREP dari 100.000 siklus menjadi 500.000 siklus.
2. Penyaringan berdasarkan ukuran partikel: penyaringan dua-tahap dan pengoptimalan gradasi
Penyaringan dua-tahap (seperti saringan 30 μm dan 53 μm) dapat digunakan untuk mendapatkan bubuk dengan distribusi ukuran partikel yang sempit. Hal ini menghentikan penyebaran bubuk tidak merata yang terjadi ketika partikel kasar dan kecil bercampur. Dengan menggabungkan bubuk dengan ukuran partikel berbeda, Anda dapat meningkatkan kualitas dengan meningkatkan kepadatan massal. Mencampur 20% bubuk halus berukuran 10–20 μm dengan 80% bubuk kasar berukuran 30–50 μm, misalnya, dapat meningkatkan densitas curah dari 4,2g/cm³ menjadi 4,8g/cm³.
3. Setelah perawatan: pengepresan isostatik panas dan pemolesan permukaan
Pengepresan isostatik panas (HIP) dapat mengisi lubang pada cetakan dan meningkatkan kepadatan hingga lebih dari 99,9%. Menurut sebuah penelitian, kekuatan lelah cetakan Ti6Al4V yang diberi perlakuan HIP 40% lebih tinggi dibandingkan cetakan yang tidak diberi perlakuan. Memoles permukaan bisa membuatnya lebih halus. Misalnya, teknologi pemolesan elektrolitik dapat menurunkan kekasaran permukaan cetakan dari Ra10 μm menjadi Ra0,2 μm, yang cukup baik untuk cetakan optik kelas atas dan penggunaan lainnya.