Polvos metálicos Caracterización de partículas para procesos de fabricación aditiva

Las técnicas de fabricación aditiva se utilizan cada vez más en la construcción de máquinas, medios de transporte y muchos otros productos. En la construcción aeronáutica, por ejemplo, la impresión 3D sobre metal abre posibilidades totalmente nuevas para reducir el peso y, por consiguiente, el consumo de queroseno.

Piezas que antes tenían que ensamblarse a partir de docenas de componentes individuales ahora pueden fabricarse directamente en una sola pieza. Los avances en el desarrollo de la fabricación aditiva permiten producir cada vez más piezas en grandes cantidades mediante impresión 3D. 

Los polvos metálicos utilizados para la fabricación aditiva deben cumplir las normas de calidad más estrictas: La distribución del tamaño de las partículas debe ser estrecha y debe conocerse con la mayor precisión posible para controlar el comportamiento del material durante el proceso de sinterización.

Los analizadores de partículas MICROTRAC son idóneos para determinar la distribución del tamaño de las partículas de los polvos metálicos utilizados en los procesos de fabricación aditiva. A continuación, se ofrece una introducción a las tecnologías de medición adecuadas, consideraciones generales, así como diferentes ejemplos de caracterización de partículas de polvo metálico.

Polvos metálicos y fabricación aditiva Difracción láser combinada con análisis de imágenes

La difracción láser es el método estándar para determinar la distribución del tamaño de las partículas en muchos ámbitos. Esta técnica también puede analizar partículas en una corriente de aire o suspendidas en un líquido.

El método de medición se basa en el principio de que la luz láser se difracta o dispersa en diferentes ángulos a partir de partículas de diferentes tamaños. El cálculo de la distribución de tamaños se basa en el análisis de los patrones de luz difusa.

El punto fuerte del método de medición reside en su gran flexibilidad, su fácil manejo y el amplísimo rango de medición, de 10 nm a 4 mm. Sin embargo, la difracción láser no es adecuada para determinar la forma de las partículas.

Por esta razón, Microtrac ha equipado su potente analizador de difracción láser SYNC con un módulo de cámara adicional basado en el principio del análisis dinámico de imágenes. Este módulo utiliza la misma célula de medición y el mismo sistema de dispersión que el análisis de luz difusa. 

Ejemplo Partículas sobredimensionadas

Many production processes, including additive manufacturing, are sensitive to small quantities of large particles (oversize). In metal powders, for example, these large particles can lead to cavities or weak points in the end product.

Simply determining the average or mean particle size is not enough to predict manufacturing performance. The volume of particles larger than a certain limit size must be carefully monitored. It is possible to define a specification that no more than a small fraction of the particles can be larger than a critical size.

For example, you could require that no more than 0.01% by volume of the particles are larger than 200 microns.In this measurement example, a sample of metal powder with different amounts of impurities (oversize particles) was gravimetrically prepared and the resulting size distributions were measured to illustrate how the high-speed dual camera system of the CAMSIZER X2 can be used to find small amounts of impurities with large particles 

A metal powder sample was first sieved through a 200 μm test sieve to ensure the removal of large contaminants. This screened powder was then weighed and a small amount of large particles was added in a controlled manner. This resulted in a series of samples with known amounts of impurities. Concentrations were 0.005%, 0.01%, 0.02%, 0.05%, 0.1%, 0.2% and 1% (mass % each). The sample quantities for analysis were approximately 35-40 grams. Fig. 9, Fig. 10, and the table show how accurately the oversize grain can be detected with the CAMSIZER. 

In Laser Diffraction, it is assumed that under favorable conditions oversized particles can be detected if the percentage is >2 % by volume. Laser diffraction evaluates a signal generated by all particles simultaneously. This is therefore referred to as a collective measurement method, as opposed to an individual particle measurement method such as image analysis in which each particle detected generates a measurement value. In laser diffraction, if the proportion of a certain fraction is too small, the contribution of these particles to the total scattered light signal is also too small to be distinguishable from background noise. This situation cannot be compensated for by measuring larger sample quantities.

The combination of image analysis and laser diffraction improves the detection probability of impurities, but the performance here does not come close to that of a specialized dynamic image analyzer like the CAMSIZER X2. This is mainly due to the image acquisition rate of the CAMSIZER X2 which is 14 times higher. The dispersing system, sample feed and instrument setup of the SYNC are optimized to generate high quality scattered light data in a short time with the additional possibility of image acquisition. The entire hardware of the CAMSIZER X2, i.e. dispersion, sample feed, light sources and cameras, is optimized to acquire and evaluate many images in a short time. The number of particles evaluated, as well as the total amount of sample material used is considerably larger with the CAMSIZER X2.

Nevertheless, the SYNC is clearly superior to other laser analyzers with regard to the detection of oversized particles thanks to the advanced image evaluation.

Ejemplo Satellites

Polvos metálicos y fabricación aditiva Method Comparison and Summary