ČÁSTICOVÁ ANALÝZA
CHARAKTERIZACE ČÁSTIC PRO ADITIVNÍ VÝROBU: ANALÝZA KLÍČOVÝCH PARAMETRŮ VELIKOSTI A TVARU ČÁSTIC PŘI POUŽITÍ JEDINÉHO PŘÍSTROJE
SCHLEIFE F., OETZEL C. 3P Instruments GmbH & Co. KG, www.3P-instruments.com
Procesy aditivní výroby („Additive manufacturing“ – AM) mohou být použity k přesné a zakázkové výrobě velmi komplexních součástí. Oproti konvenčním výrobním procesům, při kterých bývají součásti vyráběny odstraňováním přebytečného materiálu (přístup top-down, např. soustružení, mletí, broušení), aditivní výroba používá tzv. bottom-up přístup. V tomto případě jsou požadované díly vyráběny trojrozměrně vrstvu po vrstvě. Toho může být dosaženo různými způsoby, jako např. selektivní tavení nebo spékání prášku laserovým nebo elektronovým paprskem, extruze a depozice zahřátých polymerů nebo selektivní vytvrzování fotoaktivních polymerů. Bez ohledu na zvolenou metodu může být aditivní výroba použita k realizaci struktur, které by nebylo možné vyrobit tradičními metodami s odběrem materiálu. Další významnou výhodou AM procesů je zkrácení výrobního řetězce mezi digitálním návrhem a finálním výrobkem [1]. Informace týkající se výroby určitého dílu je přenesena do výrobního zařízení jako digitální soubor. To umožňuje vyrábět bez větších problémů stejný díl na různých místech, dokonce i s malými tolerancemi, protože jediné, co je potřeba, je výrobní stroj, digitální in- formace a výrobní materiál. Díky tomu nejsou potřeba dodavatelské řetězce například polotovarů nebo konečných výrobků a zvyšuje se časová a finanční efektivita výroby.
Obr. 1: Bettersizer S3 Plus kombinující laserovou difrakci s obrazovou analýzou.
Výsledné vlastnosti dílu vyrobeného aditivní technologií jsou zásadně ovlivněny výchozím materiálem a vlastnostmi jeho práškové formy [2]. Nejdůležitější vlastností je distribuce velikostí částic [3], tvar částic [3] [4], chemické složení [5,6], tekutost [7], hustota prachové vrstvy (PLD) [8,9] a vnitřní porozita [3]. Avšak v současné době neexistují kvantifikované nebo specifikované a široce uznávané parametry pro popis vlastností prášků pro použití v aditivní výrobě [4], nebo si je výrobci drží v utajení z konkurenčních důvodů [2]. Proto je sledování kvality surovin pro aditivní výrobu více než zásadní pro zajištění konzistentních vlastností výrobků. Další zajímavá korelace mezi charakteristikami použité práškové suroviny a výslednými vlastnostmi dílu vyrobeného například tavením laserovým paprskem (LBM – Laser Beam Melting/SLM – Selective Laser Melting) vyvstává z otázky, zda prášek, který je přiveden do procesu a není během procesu roztaven, musí být vyhozen, nebo jestli může být opět použít při další výrobě [10]. Protože množství dílů vyráběných laserovým tavením neustále narůstá [11] a většina použitého prášku (95–97 % [12]) není roztavena, má odpověď na tuto otázku jak ekono- mické, tak i ekologické aspekty. Během LBM procesu jsou vytvářeny tzv. spatter particles (odstříknuté částice), které jsou uloženy v práškovém loži a výrobní zóně LBM stroje a hromadí se tak v recyklovaném prášku [13]. Je také známo, že použití vyšší hustoty energie laserového záření vede ke zvýšené tvorbě těchto odstříknutých částic [14,15]. Ačkoliv vliv odstříknutých částic na finální kvalitu vyráběného dílu musí být dále zkoumán, analýza distribuce velikostí a tvarů částic čerstvého prášku v porovnání s práškem obsahujícím odstříknuté částice je zásadní přístup [10]. Kromě klasické metody laserové difrakce (statický rozptyl laserového světla, static laser light scattering SLLS) pro určení distribuce velikostí částic je potřeba zobrazovací metoda pro zjištění tvarových parametrů souborů částic, a hlavně jednotlivých částic. Pro tento účel je dyna- mická obrazová analýza vynikající v poskytování statistických údajů a tím i reprezentativní analýzy středních hodnot tvarových parametrů celých souborů částic díky rychlé analýze jednotlivých částic. Kromě toho údaje o jednotlivých částicích umožňují analýzu statisticky nevýznamných částic o nadměrné velikosti nebo frakcí heterogenních práškových vzorků z pohledu velikosti a/nebo tvaru. The Bettersizer S3 Plus (obr. 1) je měřicí přístroj, který unikátně kombinuje analýzu distribuce velikostí částic od nano- do milimetrových velikostí klasickou laserovou difrakcí s charakterizací tvaru částic, vyhle- dáváním částic s nadměrnou velikostí i výskytem aglomerace dynamickou obrazovou analýzou.
Bettersizer S3 Plus: Jeden přístroj, dvě zásadní vlastnosti prášku Na obr. 2 je zobrazeno optické uspořádání přístroje Bettersizer S3 Plus: Komora pro měření v kapalině je umístěna uprostřed základny, dvě Fourierovy čočky jsou umístěny bezprostředně vpravo a vlevo od měřicí komory (dvě Fourierovy čočky = dvoučočková technologie, „dual lens technology“). Napravo od měřicí komory je zdroj laserového paprsku, jehož optická osa je vůči optické ose čočky pootočena (zelený DPSS laser, vlnová délka = 532 nm), kolmo k měřicí komoře je instalován snímací systém se dvěma CCD kamerami (dvě kamery s objektivy se zvětšeními 0,5x a 10x) a detektory zpětného rozptylu. Obr. 2: Optické uspořádání přístroje Bettersizer S3 Plus včetně dvoučoč- kové technologie DLOIOS (Dual Lenses & Oblique Incidence Optical System) a snímacím CCD videosystémem (0,5x a 10x).
Nalevo od měřicí komory je instalován detekční systém pro detekci přímého a bočního rozptylu. Toto speciální uspořádání umožňuje: 1. Přesná měření velmi malých částic (od 10 nm) s pomocí dvoučočkové technologie (statický rozptyl laserového světla). 2. Současně maximální přesnost při měření velkých částic (až do 3,5
12
CHEMAGAZÍN • 4 / XXXIV (2024)
Made with FlippingBook - PDF hosting