Ατομικοποίηση Υψηλής Ποιότητας Σκόνης Ανοξείδωτου Χάλυβα στην Προσθετική Κατασκευή 3D Εκτύπωσης

Η κύρια μέθοδος για την παραγωγή υψηλής ποιότητας σκόνης ανοξείδωτου χάλυβα είναι η ατομοποίηση. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη μετατροπή του λιωμένου ανοξείδωτου χάλυβα σε ένα λεπτό ψεκασμό σταγονιδίων που στερεοποιούνται σε σωματίδια σκόνης. Οι δύο κύριοι τύποι είναι:

Ο λιωμένος χάλυβας διασπάται από ένα πίδακα νερού υψηλής πίεσης. Αυτή η ταχεία απόσβεση παράγει ακανόνιστα σωματίδια με μεγάλη επιφάνεια. Αυτές οι σκόνες είναι ιδανικές για τεχνικές συμπίεσης και πυροσυσσωμάτωσης (όπως η χύτευση με έγχυση μετάλλου) καθώς το ακανόνιστο σχήμα επιτρέπει καλή αντοχή στο πράσινο και ακεραιότητα του εξαρτήματος πριν από την πυροσυσσωμάτωση. Είναι γενικά πιο οικονομικές, αλλά έχουν υψηλότερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο.

Ένα αδρανές αέριο (συνήθως αργό ή άζωτο) χρησιμοποιείται για να διασπάσει τη ροή λιωμένου μετάλλου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σφαιρικά, χωρίς δορυφόρους σωματίδια με λεία επιφάνεια. Αυτές οι σκόνες έχουν:

• Χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο: Κρίσιμο για καλές μηχανικές ιδιότητες και συγκολλησιμότητα.
• Εξαιρετική ρευστότητα: Απαραίτητη για την εξάπλωση λεπτών, σταθερών στρώσεων στην Προσθετική Κατασκευή (3D Printing).
• Υψηλή πυκνότητα συσκευασίας: Επωφελής για διαδικασίες όπως η θερμή ισοστατική συμπίεση (HIP).

Άλλες μέθοδοι περιλαμβάνουν τη διαδικασία περιστρεφόμενου ηλεκτροδίου πλάσματος (PREP) και την ηλεκτρόλυση, αλλά η ατομοποίηση είναι η πιο συνηθισμένη για βιομηχανικούς όγκους.

Η απόδοση της σκόνης ανοξείδωτου χάλυβα καθορίζεται από αρκετά κρίσιμα χαρακτηριστικά:

• Κατανομή μεγέθους σωματιδίων (PSD): Μετράται σε μικρά (μm). Ένα τυπικό PSD για την Προσθετική Κατασκευή μπορεί να είναι 15-45 μm, ενώ για τη χύτευση με έγχυση μετάλλου θα μπορούσε να είναι 2-20 μm. Ένα ελεγχόμενο PSD είναι ζωτικής σημασίας για την επαναληψιμότητα της διαδικασίας.
• Σχήμα σωματιδίων: Όπως αναφέρθηκε, αυτό εξαρτάται από τη διαδικασία (σφαιρικό για AM, ακανόνιστο για MIM).
• Εμφανής πυκνότητα: Η μάζα ανά μονάδα όγκου της μη συμπιεσμένης σκόνης. Η υψηλότερη πυκνότητα προτιμάται συχνά για καλύτερη συσκευασία.
• Ρευστότητα: Ο χρόνος που χρειάζεται για να ρέει μια συγκεκριμένη ποσότητα σκόνης μέσω ενός τυποποιημένου χωνιού. Κρίσιμο για αυτοματοποιημένες διαδικασίες AM και συμπίεσης και πυροσυσσωμάτωσης.
• Χημική σύνθεση: Πρέπει να ταιριάζει με τις προδιαγραφές της επιθυμητής ποιότητας ανοξείδωτου χάλυβα (π.χ., 316L, 17-4PH). Βασικά στοιχεία περιλαμβάνουν το χρώμιο (για αντοχή στη διάβρωση), το νικέλιο (για ωστενιτική δομή και σκληρότητα) και το μολυβδαίνιο (για ενισχυμένη αντοχή στη διάβρωση με κοιλώματα).
• Πυροφορικότητα: Οι λεπτές μεταλλικές σκόνες μπορεί να είναι εύφλεκτες ή εκρηκτικές όταν αιωρούνται στον αέρα. Η σκόνη ανοξείδωτου χάλυβα είναι λιγότερο πυροφορική από ορισμένα μέταλλα (όπως το αλουμίνιο), αλλά εξακολουθεί να απαιτεί προσεκτικό χειρισμό για την αποφυγή εκρήξεων σκόνης.

• 316L: Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη ποιότητα για προσθετική κατασκευή και MIM. Εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, καλές μηχανικές ιδιότητες και βιοσυμβατότητα. Χρησιμοποιείται σε θαλάσσιες, χημικές, ιατρικές και εφαρμογές επεξεργασίας τροφίμων.
• 304L: Παρόμοιο με το 316L, αλλά με χαμηλότερο νικέλιο και χωρίς μολυβδαίνιο, καθιστώντας το ελαφρώς λιγότερο ανθεκτικό στη διάβρωση, αλλά πιο οικονομικό.

• 17-4PH (630): Μπορεί να υποβληθεί σε θερμική επεξεργασία μετά την κατασκευή για να επιτευχθεί πολύ υψηλή αντοχή και σκληρότητα, διατηρώντας παράλληλα καλή αντοχή στη διάβρωση. Χρησιμοποιείται για εξαρτήματα αεροδιαστημικής, γρανάζια και εξαρτήματα μηχανικής υψηλής καταπόνησης.
• 420: Προσφέρει υψηλή σκληρότητα και αντοχή στη φθορά μετά από θερμική επεξεργασία, αλλά με χαμηλότερη αντοχή στη διάβρωση από τις ωστενιτικές ποιότητες. Χρησιμοποιείται για μαχαιροπήρουνα, καλούπια και χειρουργικά εργαλεία.

• Duplex 2205: Διαθέτει μια μικτή μικροδομή ωστενίτη και φερρίτη, με αποτέλεσμα πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική αντοχή στην ρωγμάτωση λόγω διάβρωσης υπό τάση. Χρησιμοποιείται στις υπεράκτιες βιομηχανίες πετρελαίου και φυσικού αερίου και χημικών.

Η σκόνη ανοξείδωτου χάλυβα είναι η πρώτη ύλη για αρκετές προηγμένες τεχνολογίες κατασκευής:

• Σύντηξη στρώματος σκόνης με λέιζερ (L-PBF): Ένα λέιζερ λιώνει επιλεκτικά στρώματα σκόνης για την κατασκευή σύνθετων, ελαφρών και ενσωματωμένων εξαρτημάτων απευθείας από ένα μοντέλο CAD.
• Σύνδεση με ψεκασμό: Ένα υγρό συνδετικό ψεκάζεται στο στρώμα σκόνης για να σχηματιστεί ένα «πράσινο» εξάρτημα, το οποίο στη συνέχεια πυροσυσσωματώνεται σε φούρνο.
• Εναπόθεση κατευθυνόμενης ενέργειας (DED): Η σκόνη φυσάται σε μια δεξαμενή τήξης που δημιουργείται από ένα λέιζερ ή δέσμη ηλεκτρονίων, που χρησιμοποιείται συνήθως για επισκευή ή προσθήκη χαρακτηριστικών σε υπάρχοντα εξαρτήματα.

Η σκόνη αναμιγνύεται με ένα πολυμερές συνδετικό για να δημιουργηθεί μια πρώτη ύλη που χυτεύεται με έγχυση σε ένα καλούπι. Το συνδετικό αφαιρείται στη συνέχεια (αποσύνδεση) και το εξάρτημα πυροσυσσωματώνεται σε σχεδόν πλήρη πυκνότητα. Ιδανικό για μαζική παραγωγή μικρών, σύνθετων εξαρτημάτων.

Η σκόνη τοποθετείται σε ένα δοχείο και υποβάλλεται σε υψηλή θερμοκρασία και ισοστατική πίεση αερίου, ενοποιώντας την σε ένα πλήρως πυκνό, σχεδόν καθαρό σχήμα πλινθώματος ή εξαρτήματος.

Η σκόνη συμπιέζεται σε ένα άκαμπτο καλούπι για να σχηματιστεί ένα «πράσινο» συμπαγές, το οποίο στη συνέχεια πυροσυσσωματώνεται σε φούρνο ελεγχόμενης ατμόσφαιρας. Κοινό για την κατασκευή φίλτρων και πορωδών εξαρτημάτων.

• Ελευθερία σχεδιασμού: Επιτρέπει την παραγωγή εξαιρετικά σύνθετων γεωμετριών, εσωτερικών καναλιών και δομών πλέγματος.
• Αποτελεσματικότητα υλικού: Οι διαδικασίες σχεδόν καθαρού σχήματος ελαχιστοποιούν τη σπατάλη υλικού σε σύγκριση με την αφαιρετική μηχανική.
• Ενοποίηση εξαρτημάτων: Πολλαπλά εξαρτήματα μπορούν να σχεδιαστούν και να εκτυπωθούν ως ένα ενιαίο εξάρτημα, βελτιώνοντας την αξιοπιστία και μειώνοντας τη συναρμολόγηση.
• Εξαιρετικές ιδιότητες: Τα τελικά εξαρτήματα μπορούν να επιτύχουν μηχανικές ιδιότητες και αντοχή στη διάβρωση συγκρίσιμη, και μερικές φορές υπερβαίνουν, τα αντίστοιχα σφυρήλατα.
• Μαζική παραγωγή: Διαδικασίες όπως το MIM επιτρέπουν την παραγωγή μεγάλου όγκου περίπλοκων εξαρτημάτων.

Η σκόνη ανοξείδωτου χάλυβα απαιτεί αυστηρά πρωτόκολλα ασφαλείας:

• Πρόληψη έκρηξης: Πρέπει να αποθηκεύεται και να χειρίζεται σε αδρανείς ατμόσφαιρες (π.χ., άζωτο) ή με εξοπλισμό προστατευμένο από εκρήξεις. Η σωστή γείωση είναι απαραίτητη για την αποφυγή στατικού εκκένωσης.
• Υγεία και ασφάλεια: Η εισπνοή λεπτής μεταλλικής σκόνης είναι κίνδυνος για την υγεία. Οι εργασίες πρέπει να διεξάγονται σε καλά αεριζόμενους χώρους ή εντός κλειστών συστημάτων (όπως εκτυπωτές AM) και το προσωπικό θα πρέπει να χρησιμοποιεί κατάλληλο εξοπλισμό ατομικής προστασίας (ΜΑΠ) όπως αναπνευστήρες.
• Αποθήκευση: Αποθηκεύεται σε δροσερό, ξηρό μέρος σε σφραγισμένα δοχεία για την αποφυγή απορρόφησης υγρασίας και οξείδωσης.