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

Muchos procesos de producción, incluida la fabricación aditiva, son sensibles a pequeñas cantidades de partículas grandes (de gran tamaño). En el caso de los polvos metálicos, por ejemplo, estas partículas grandes pueden crear cavidades o puntos débiles en el producto final.

El simple hecho de determinar el tamaño medio o promedio de la partícula no es suficiente para prever la capacidad de fabricación. El volumen de partículas que supere un cierto tamaño límite debe supervisarse con atención. Se puede definir una especificación según la cual no podrá haber más de una pequeña fracción de las partículas superior a un tamaño crítico.

Por ejemplo, se podría precisar que no más del 0,01 % en el volumen de las partículas supere los 200 micrones.En este ejemplo de medición, se preparó una muestra de polvo metálico gravimétricamente y con diferentes cantidades de impurezas (partículas de gran tamaño). Luego se midieron las distribuciones de tamaño resultantes para explicar cómo se puede utilizar el sistema de cámara dual de alta velocidad del CAMSIZER X2, y encontrar así pequeñas cantidades de impurezas con partículas grandes.

Primero se tamizó una muestra de polvo metálico por un tamiz de ensayo de 200 μm, con el fin de garantizar la eliminación de los contaminantes grandes. Después se pesó este polvo tamizado y se añadió una pequeña cantidad de partículas grandes de manera controlada. El resultado fue una serie de muestras con cantidades conocidas de impurezas. Las concentraciones fueron 0,005 %, 0,01 %, 0,02 %, 0,05 %, 0,1 %, 0,2 % y 1 % (porcentaje de masa cada una). Las cantidades de muestras analizadas fueron de 35 a 40 gramos aproximadamente. La figura 9, la figura 10 y la tabla reflejan la precisión con que se pueden detectar granos de gran tamaño con el CAMSIZER.

Se supone que con la difracción láser, en condiciones favorables, se pueden detectar partículas de gran tamaño si el porcentaje en volumen es >2 %. La difracción láser evalúa una señal que generan todas las partículas de manera simultánea. Por lo tanto, se trata de un método de medición colectivo, en contraposición a un método individual de medición de partículas como es el análisis de imágenes, en el que cada partícula detectada genera un valor de medición. En la difracción láser, si la proporción de una determinada fracción es demasiado pequeña, la contribución de estas partículas a la señal de la dispersión de luz total también es demasiado pequeña como para poder distinguirse entre el ruido de fondo. Esta situación no se puede compensar midiendo cantidades de muestra mayores.

La combinación del análisis de imágenes y la difracción láser mejora la probabilidad de detectar impurezas, pero aquí el rendimiento no se acerca al de un analizador dinámico de imágenes especializado como el CAMSIZER X2. Principalmente, esto se debe a la velocidad de obtención de las imágenes del CAMSIZER X2, que es 14 veces mayor. El sistema de dispersión, la alimentación de muestras y la configuración del instrumento en el SYNC se han optimizado para generar en poco tiempo datos de dispersión de luz de alta calidad, con la posibilidad extra de obtener imágenes. Todo el hardware del CAMSIZER X2 (es decir: la dispersión, la alimentación de muestras, las fuentes de luz y las cámaras) está optimizado para obtener y evaluar muchas imágenes en poco tiempo. El número de partículas evaluadas, así como la cantidad total del material de la muestra utilizado, es considerablemente mayor en el CAMSIZER X2.

El SYNC, sin embargo, es claramente superior a otros analizadores láser al detectar partículas de gran tamaño gracias a la evaluación avanzada de imágenes.

Ejemplo Satélites

Polvos metálicos y fabricación aditiva Resumen y comparación de métodos