O parte integrantă a dezvoltării produselor industriale o reprezintă fabricarea prototipurilor și a eșantioanelor inițiale, indiferent dacă produsul este un simplu șurub sau o componentă complexă a unei aeronave. Fabricarea unor piese unice – adesea de dimensiuni reduse – într-un mediu de producție este, de regulă, o procedură costisitoare. Pe baza acestei analize cost-beneficiu, în ultimii ani s-a dezvoltat un domeniu special de aplicare a metalurgiei pulberilor: fabricația aditivă.
Fabricația aditivă (AM) este definită drept „procesul de îmbinare a materialelor pentru a realiza obiecte pe baza datelor din modele 3D”1. Tehnologia AM creează obiecte strat cu strat, utilizând diverse pulberi metalice sau pulberi din aliaje metalice. Specificațiile procesului de fabricație depind de cerințele și posibilitățile utilizatorului, precum și de tipul și dimensiunea obiectului care urmează să fie produs.
În ultimii ani, în industrie s-au impus diverse metode, precum:
- Prototipare rapidă
- Fabricație rapidă
- Topire cu fascicul laser
- Topire laser selectivă
- Sinterizare laser selectivă
- Sinterizare laser directă a metalelor
- Topire cu fascicul de electroni
- Fuziune în pat de pulbere
- Fabricație cu formă liberă
- Fabricație solidă cu formă liberă
- Depunere laser de metal
- Placare laser
- Depunere cu energie directă
- Depunere directă de metal
Procesul de control al calității
Fabricarea aditivă devine o tehnologie de producție tot mai consacrată. Totuși, fiind o tehnologie încă nouă, etapele necesare ale procesului nu au fost încă definite în mod unitar. De exemplu, nu există standarde la nivelul întregii industrii care să descrie procesul de control al calității. Un parametru consacrat este distribuția granulometrică a pulberii utilizate în fabricarea aditivă. Cu toate acestea, dimensiunea particulelor nu ar trebui să fie singura caracteristică utilizată pentru controlul calității.Printre pulberile metalice utilizate în fabricarea aditivă se numără diverse tipuri de oțel și titan. Pentru a verifica calitatea și puritatea acestor materii prime, este necesară implementarea unor procese adecvate. De exemplu, conținutul diverselor elemente „străine” trebuie monitorizat cu atenție pentru a asigura un produs finit de înaltă calitate.
Elemente care influențează proprietățile materialului
Oțel
Există numeroase elemente care influențează proprietățile oțelului, carbonul fiind primul pe listă. Oțelul este clasificat în diferite clase de calitate și domenii de utilizare, în funcție de tipul și concentrația acestor elemente de aliere (C, Si, Mn, P, S, Cr etc.). În continuare, sunt descrise cele mai importante elemente nemetalice și efectele acestora. Carbon [C]: Conținutul de carbon influențează diverși parametri fizici ai oțelului. Acest aliaj feros conține între 0,0002 % și 2,06 % carbon. Cu cât conținutul de carbon este mai ridicat, cu atât punctul de topire este mai scăzut. De asemenea, fragilitatea și duritatea cresc odată cu conținutul de carbon.
Sulf [S]: Dacă aliajul conține sulf, acesta sporește prelucrabilitatea oțelului, adică aptitudinea materialului de a fi prelucrat prin metode precum găurirea sau frezarea. Cu cât conținutul de sulf este mai ridicat, cu atât ductilitatea este mai scăzută.
Azot [N]: Conținutul de azot poate fi clasificat în azot dorit și azot nedorit. Există aplicații speciale care permit o concentrație ridicată de azot; în astfel de cazuri, trebuie luată în considerare forma chimică a acestuia. Azotul în formă elementară se localizează la limitele dintre granulele cristaline și influențează semnificativ ductilitatea oțelului. Azotul legat de alte elemente nu este, de regulă, considerat important.
Oxigen [O]: Oxigenul este considerat un „parazit” al oțelului, deoarece îl fragilizează și provoacă fragilizarea prin îmbătrânire.
Hidrogen [H]: Prezența hidrogenului în oțel duce la degradarea stabilității mecanice. Fragilizarea prin hidrogen este un fenomen deosebit de temut, întrucât poate cauza daune tehnice și economice considerabile. Aceasta presupune atașarea protonilor de matricea metalică, proces care poate genera fisuri în oțel.
Titan
Hidrogen [H]: Are același efect asupra titanului ca și asupra oțelului. Hidrogenul poate influența formarea fazelor mixte în aliajele de titan.Azot [N]: Azotul sporește fragilitatea titanului.
Oxigen [O]: Chiar și cele mai mici cantități de oxigen au un efect considerabil asupra tenacității sau durității titanului. Specificațiile tehnice indică faptul că și diferențele minore în conținutul de oxigen pot face diferența între titanul de înaltă calitate (gradul 1: 0,18 % O) și cel de calitate inferioară (gradul 3: 0,35 %). Oxigenul modifică semnificativ proprietățile mecanice și fizice ale titanului. Titanul cu o concentrație de oxigen de 0,1 % este de aproximativ 3 ori mai stabil decât cel cu o concentrație de 0,3 %.
Sulf [S]/Carbon [C]: Aceste elemente au doar un efect foarte redus asupra titanului.
Determinarea concentrațiilor elementelor descrise trebuie efectuată atât înainte, cât și după procesul de fabricație aditivă, pentru a garanta că atât materiile prime, cât și produsul final îndeplinesc cerințele de calitate.
Metode de analiză
Există diverse metode de măsurare a concentrațiilor de elemente și a impurităților, majoritatea necesitând distrugerea probei. Acest lucru se realizează pentru a asigura eliberarea tuturor componentelor relevante ale probei analizate.Analiza prin combustie oferă o serie de avantaje. Probele pot fi măsurate în stare solidă, ceea ce înseamnă o măsurare directă, fără tratament prealabil. Dimensiunea medie a particulelor necesară pentru pulberile metalice utilizate în procesele de fabricație aditivă este cuprinsă între 5 μm și 150 μm. Aceasta se determină prin analiza granulometrică, de exemplu, prin analiza dinamică a imaginilor. Dacă pulberea prezintă distribuția dimensională adecvată, aceasta poate fi analizată pentru determinarea concentrațiilor elementale prin analiza prin combustie.
Măsurarea elementelor H/C/N/O/S nu poate fi efectuată într-o singură analiză. Oxigenul, azotul și hidrogenul sunt analizate într-o etapă, iar carbonul și sulful în alta. Acest lucru se datorează utilizării unor metode diferite:
Analiza O/N/H
Proba este introdusă într-un creuzet de grafit și se topește datorită temperaturii ridicate. În consecință, sunt eliberate oxigenul, azotul și hidrogenul. Oxigenul se transformă în CO la suprafața creuzetului încins. Gazul purtător inert antrenează gazele din creuzet.Un catalizator pe bază de oxid de cupru transformă CO în CO2, care este detectat în celulele cu infraroșu. Se utilizează o radiație infraroșie cu o lungime de undă specifică pentru a excita moleculele de dioxid de carbon. Pierderea de energie – transformată în energie cinetică – este utilizată pentru a determina concentrația exactă de oxigen din probă. Conținutul de azot și hidrogen este măsurat într-o celulă de conductivitate termică.
Celula de conductivitate termică ELEMENTRAC se bazează pe un cip de siliciu micromecanic cuplat la o membrană și funcționează independent de un flux de gaz de referință. Dacă conductivitatea termică a gazului se modifică – de exemplu, din cauza azotului eliberat din probă – se modifică și puterea de încălzire necesară pentru încălzirea membranei. Acest lucru este indicat printr-un semnal de măsurare. Metoda este robustă și sensibilă, garantând rezultate de măsurare stabile pe un domeniu larg de concentrații.
Tabelul 2: Diferite conductivități termice
Tabelul 3 prezintă rezultate tipice pentru analiza simultană a oxigenului și azotului dintr-o probă de oțel. Reproductibilitatea este net inferioară valorii de 1 ppm, chiar și în cazul concentrațiilor foarte scăzute.
Tabelul 3: Măsurarea Eltra 91100-1001 #714A
Figure 5: Procedura de analiză Carbon/Sulf
Probă este cântărită într-un creuzet și acoperită cu tungsten în vederea analizei. Tabelul 4 prezintă un rezultat tipic pentru o probă de oțel.
Tabelul 4: Măsurătoarea AR 875 #51256
Concluzie
Elementele nemetalice, precum carbonul, sulful, hidrogenul, oxigenul și azotul, influențează proprietățile fizice ale materialelor metalice. Aceste elemente pot fi prezente în materiile prime sub formă de pulbere utilizate în fabricația aditivă sau pot fi introduse în timpul procesului de producție. Prin urmare, un control riguros al calității trebuie să includă întotdeauna analiza materiei prime și a produsului finit. Analiza prin combustie oferă soluții practice și fiabile pentru măsurarea reproductibilă a concentrațiilor elementelor, într-un interval cuprins între câteva ppm și valori exprimate în procente.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