Az ipari termékfejlesztés szerves részét képezi a prototípusok és az első minták gyártása, függetlenül attól, hogy a termék egy egyszerű csavar vagy egy repülőgép összetett része. Az egyedi darabok gyártása, amelyek gyakran meglehetősen kicsiek, általában költséges eljárás egy termelési környezetben. Ennek a költség-haszon számításnak alapján a pormetallurgia különleges alkalmazási területe az elmúlt években alakult ki: adalékgyártás.
Az adalékgyártás (AM) az „anyagok összekapcsolásának folyamata a 3D modelladatokból”1 Az AM a különböző fémporokból vagy fémötvözetekből származó objektumokat réteg-rétegre hozza létre.
Az elmúlt években különböző módszerek alakultak ki az iparban, mint például:
- Rapid Prototyping
- Rapid Manufacturing
- Laser Beam Melting
- Selective Laser Melting
- Direct Metal Laser Sintering
- Electron Beam Melting
- Powder Bed fusion
- Freeform Fabrication
- Solid Freeform Fabrication
- Laser Metal Deposition
- Laser Cladding Direct Energy Deposition
- A legtöbb AM módszer ugyanazon eljáráson alapul. A lézersugár lokálisan olvad a felső porréteg, amely megerősödik és szilárd anyagréteget képez. Ezt rétegről rétegre megismételjük, amíg a végső tárgy nem jön létre. A fel nem használt por minőségét részecskeméret-elemzéssel (szívás) határozzák meg, és bizonyos esetekben elemi elemzéssel is, mielőtt visszakerül a gyártási folyamatba.
Minőségellenőrzési folyamat
Az adalékanyaggyártás egyre inkább megalapozottabb termelési technológiává válik. Azonban mivel még mindig új, a szükséges eljárási lépéseket még nem határozták meg egységesen. Például nincsenek olyan iparági szabványok, amelyek leírnák a minőségellenőrzési folyamatot. Megalapozott paraméter az AM-hoz használt por részecskeméret-eloszlása. A részecskeméret azonban nem lehet az egyetlen jellemző, amelyet a minőségellenőrzéshez használnak.Az adalékanyaggyártáshoz használt fémporok között különböző típusú acél és titán található. E nyersanyagok minőségének és tisztaságának ellenőrzéséhez megfelelő eljárásokat kell végrehajtani. Például a különböző „külföldi” elemek tartalmát szorosan ellenőrizni kell annak érdekében, hogy a végtermék kiváló minőségű legyen.
Az anyag tulajdonságait befolyásoló elemek
Acél
A lista tetején számos olyan elem van, amely befolyásolja az acél és a szén tulajdonságait. Az acél különböző minőségi fokozatokba és alkalmazási területekbe sorolható, ezeknek az ötvözet elemeknek a típusától és koncentrációjától függően (C, Si, Mn, P, S, Cr stb.). Az alábbiakban a legfontosabb nem fém elemek és hatásuk leírásra kerül. Carbon [C]: A szén-dioxid-tartalom befolyásolja az acél különböző fizikai paramétereit. Ez a vasos ötvözet 0,0002% és 2,06% között tartalmaz szén-dioxidot. Minél magasabb a szén-dioxid-tartalom, annál alacsonyabb az olvadási pont. Ezenkívül a törékenység és a keménység növekszik a szén-tartalommal.
[S]: Ha az ötvözet kénet tartalmaz, ez növeli az acél megmunkálhatóságát, azaz az anyagnak az olyan módszerekkel való kezelésére való alkalmasságát, mint a fúrás vagy a marás. Minél magasabb a kéntartalom, annál alacsonyabb a ductility.
Nitrogén [N]: A nitrogén tartalma kívánt és nem kívánt tartalmakra osztható. Vannak olyan speciális alkalmazások, amelyek lehetővé teszik a magas nitrogén koncentrációt. Ezekben az esetekben a kémiai formáját figyelembe kell venni. Az elemi formájú nitrogén a gabona határa mentén helyezkedik el, és jelentősen befolyásolja az acél ductilitását. A más elemekhez kötődő nitrogéntartalmat általában nem tekintik fontosnak.
Oxygen [O]: Az oxigén az úgynevezett acél parazita, mert jelentős technikai és gazdasági károkat okozhat. Ez azt jelenti, hogy a protonok maguk is ragaszkodhatnak a fém mátrixhoz, ami az acél töréséhez vezet.
Titan
Hidrogén [H]: Ugyanolyan hatással van a titánra, mint az acélra. Ezek a hidrogének befolyásolhatják a kevert fázisok kialakulását a titánötvözetekben.[N]: A nitrogén növeli a titán törékenységét.
Oxygen [O]: Még a legkisebb mennyiségű oxigén is jelentősen befolyásolja a titán keménységét vagy keménységét. A specifikációs könyv azt mutatja, hogy az oxigén tartalmának még kisebb eltérései is meghatározzák a különbséget a magas minőségű titán (fokozat 1: 0,18 % O) és az alacsony minőségű titán (fokozat 3: 0,35 %).
Elemzési módszerek
Különböző módszerek léteznek az elemek koncentrációjának és a szennyeződéseknek a mérésére, amelyek többsége a minta megsemmisítését igényli. Ez annak biztosítása érdekében történik, hogy az elemzett minta összes releváns összetevője felszabaduljon.Az égési elemzés számos előnnyel jár. A mintákat szilárd formában lehet mérni, ami azt jelenti, hogy előzetes kezelés nélkül közvetlen mérést kell végezni. Az adalékanyaggyártási eljárásokhoz használt fémporok átlagos részecskemérete 5 μm és 150 μm között van. Ezt egyetlen elemzésben nem lehet elvégezni. Az oxigént, a nitrogént és a hidrogént egy lépésben, a kénet pedig egy másikban elemzik.
O/N/H Analízis
A minta grafittégelybe ejtődik és ott a magas hőmérséklet megolvasztja. Consequently, oxygen, nitrogen and hydrogen are released. Oxygen converts to CO on the surface of the hot crucible. The inert carrier gas removes the gases from the crucible.A copper oxide catalyst converts CO to CO2 which is detected in the infrared cells. An infrared ray with a specific wave length is used to excite the carbon dioxide molecules. The loss of energy, which was transferred to kinetic energy, is used to determine the exact oxygen concentration of the sample. The nitrogen and hydrogen content are measured in a thermal conductivity cell.
Az ELEMENTRAC hővezetőképesség-cellát egy mikromechanikus szilícium-chipre alapozzák, amely egy membránhoz van kötve, és függetlenül működik egy referencia-gázáramlástól. Ha a gáz hővezetőképessége megváltozik, például a mintából felszabaduló nitrogén által, akkor a membrán felmelegítéséhez szükséges fűtőképesség is megváltozik. Ezt mérési jel jelzi. A módszer robusztus és érzékeny, és stabil mérési eredményeket garantál széles koncentrációs tartományban.
2. táblázat: Különböző hővezetőképességek
A 3. táblázat az acélminták egyidejű oxigén- és nitrogénelemzésére jellemző eredményeket mutatja. A reprodukálhatóság egyértelműen 1 ppm alatt van, még nagyon alacsony koncentrációk esetén is.
3. táblázat: Az Eltra 91100-1001 #714A mérései
5. ábra: Szén- és kénelemzési eljárás
A mintát egy kavicsban mérik, és elemzés céljából volfrámmal borítják. A 4. táblázat egy acélmintára jellemző eredményt mutat.
4. táblázat: Mérés AR 875 #51256
Következtetés
A nem fémes elemek, mint például a szén, a kén, a hidrogén, az oxigén és a nitrogén befolyásolják a fémes anyagok fizikai tulajdonságait. Ezek az elemek megtalálhatók az adalékanyagok gyártásához használt porított nyersanyagokban, vagy bevezethetők a gyártási folyamat során. Ezért a alapos minőségellenőrzésnek mindig magában kell foglalnia a nyersanyag és a végtermék elemzését. Az égési elemzés kényelmes és megbízható megoldásokat kínál az elemek koncentrációjának reprodukálható mérésére néhány ppm és százalék között.1 Introduction to additive manufacturing technology, www.epma.com/am
2 Berumen, S.; Bechmann, F.; et al, Quality Control of laser and powder bed-based Additive Manufacturing (AM) technologies, Physics procedia, 5, 617-622, LANE 2010