Kemajuan Penyelidikan tentang Pengabusan Gas untuk Penyediaan Serbuk Logam yang Digunakan dalam Pencetakan 3D
Teknologi percetakan 3D, juga dikenali sebagai pembuatan aditif, muncul pada tahun 1930-an. Ia ialah teknik yang membina bahagian lapisan demi lapisan (cth, menggunakan serbuk logam) berdasarkan komputer-model tiga dimensi-yang dihasilkan . Berbanding dengan pembuatan tolak tradisional, percetakan 3D menawarkan kelebihan seperti kebebasan reka bentuk yang tinggi, penggunaan bahan yang tinggi, dan keupayaan untuk mengarang struktur yang kompleks, menunjukkan prospek aplikasi yang luas dalam aeroangkasa, peranti perubatan, pembuatan ketepatan dan bidang lain. Perkembangan percetakan 3D logam sangat bergantung pada serbuk logam berprestasi tinggi{11}}, yang ciri-cirinya secara langsung menentukan kualiti dan prestasi bahagian bercetak. Serbuk logam yang ideal untuk percetakan 3D mesti mempunyai sfera tinggi, saiz zarah kecil, taburan saiz zarah sempit, ketulenan tinggi dan kebolehliliran yang baik .
Pengabusan gas (GA), sebagai kaedah utama untuk menghasilkan serbuk logam, berasal dari tahun 1920-an. Ia menggunakan-pancutan gas berkelajuan tinggi untuk mencecah aliran logam cair, memecahkannya menjadi titisan kecil yang memejal menjadi serbuk sfera apabila disejukkan . Serbuk yang dihasilkan melalui kaedah ini mempamerkan komposisi seragam, sfera tinggi dan kandungan kekotoran yang rendah, dan pada masa ini menyumbang 30%–50% daripada jumlah pengeluaran serbuk logam untuk pencetakan 3D . Walau bagaimanapun, pengabusan gas ialah proses kompleks yang melibatkan gandingan gas-cecair dua-aliran fasa; perubahan halus dalam parameter proses boleh membawa kepada perbezaan ketara dalam ciri serbuk, sekali gus menjejaskan prestasi bahagian bercetak. Oleh itu, kajian sistematik kemajuan penyelidikan dalam teknologi pengabusan gas adalah sangat penting untuk menggalakkan pembangunan industri percetakan 3D.
Keperluan prestasi serbuk logam untuk percetakan 3D
Dalam proses pencetakan 3D, serbuk logam berfungsi sebagai bahan mentah, dan prestasinya secara langsung mempengaruhi keseragaman penyebaran serbuk, kualiti pensinteran dan sifat mekanikal akhir bahagian tersebut. Penunjuk prestasi utama termasuk ketulenan serbuk, saiz zarah, kandungan oksigen dan kebolehkitar semula.
2.1 Ketulenan serbuk
Kehadiran unsur kekotoran boleh bertindak balas dengan serbuk asas, mengurangkan kestabilan termodinamik dan sifat mekanikal bahan. Sebagai contoh, serbuk aloi Ti-6Al-4V mudah menyerap N, O, H dan unsur-unsur lain apabila dipanaskan, yang membawa kepada kemerosotan prestasi. Walau bagaimanapun, dalam beberapa kes, kekotoran mungkin mempunyai kesan positif, seperti kekotoran dalam serbuk seramik Al2O3 yang boleh menurunkan suhu pensinteran dan memudahkan proses . Oleh itu, ketulenan serbuk mesti diselaraskan mengikut aplikasi tertentu.
2.2 Saiz zarah
Saiz zarah secara langsung mempengaruhi ketebalan lapisan penyebaran serbuk (biasanya 50–100 μm) dan daya penggerak pensinteran. Proses pembentukan laser biasanya menggunakan saiz zarah serbuk 30–50 μm, manakala pembentukan rasuk elektron menggunakan 50–90 μm. Zarah yang terlalu halus cenderung menyebabkan penyebaran tidak sekata dan fenomena "bebola", manakala zarah yang terlalu kasar meningkatkan sudut perbezaan dan mengurangkan kecekapan penggunaan . Sebaik-baiknya, campuran serbuk halus dan kasar dalam nisbah yang sesuai diperlukan untuk mengimbangi kebolehliran dan prestasi pensinteran.
2.3 Kandungan oksigen
Kandungan oksigen terutamanya berasal daripada gas pengatoman dan peralatan. Pencemaran oksigen yang tinggi boleh membentuk sempadan zarah terdahulu (PPB), merosot prestasi aloi. Kajian telah menunjukkan bahawa kandungan oksigen serbuk adalah berkaitan dengan saiz zarah; apabila saiz zarah berkurangan, kandungan oksigen meningkat. Pemanasan vakum atau rawatan pengurangan boleh mengurangkan kandungan oksigen dengan berkesan.
2.4 Kebolehkitar semula serbuk
Kos serbuk percetakan 3D adalah tinggi, dan kitar semula boleh menjimatkan bahan mentah dengan ketara. Sebagai contoh, selepas 21 kitaran penggunaan, serbuk Ti-6Al-4V menunjukkan peningkatan kandungan oksigen daripada hanya 0.08% kepada 0.19%, dan zarah yang tidak cair boleh digunakan semula. Menambah bilangan kitaran kitar semula boleh meningkatkan ketumpatan paip dan kebolehliliran tanpa menjejaskan struktur mikro atau sifat mekanikal.
Prinsip asas penghasilan serbuk dengan pengabusan gas
Pengabusan gas menggunakan-pancutan gas berkelajuan tinggi untuk memecahkan aliran logam cair menjadi titisan, yang kemudiannya memejal menjadi serbuk sfera apabila disejukkan. Proses ini terdiri daripada tiga peringkat: lebur logam, pelaksaan pengatoman, dan penyejukan/pemejalan. Gas lengai (cth, nitrogen, argon) biasanya digunakan sebagai medium pengatoman untuk mengelakkan pengoksidaan. Proses pengabusan gas boleh dibahagikan kepada empat zon:
Zon I (zon pergolakan tekanan negatif):Gas pengabusan menghasilkan tekanan negatif di pintu keluar muncung, yang menarik aliran logam cair dan menyebarkannya ke dalam jalur cecair.
Zon II (zon pembentukan titisan utama):Jalur cecair pada mulanya dipecahkan kepada titisan di bawah tindakan tegangan permukaan dan aliran gas.
Zon III (zon pengabusan berkesan):Pancutan gas berkelajuan tinggi-memecahkan lagi titisan kepada zarah yang lebih halus.
Zon IV (zon penyejukan dan pemejalan):Titisan jatuh bebas dan memejal menjadi serbuk sfera apabila disejukkan.