Dinamiche della diffusione delle polveri nella stampa 3D

Molte cose influiscono sulla qualità di una parte stampata in 3D, e nella stampa 3D a base di polvere, la diffusione della polvere è un passo fondamentale nel determinare quanto bene la parte verrà fuori. In uno studio intitolato “ Revealing particle-scale powder spreading dynamics in powder-bed-based additive manufacturing processes by high-speed x-ray imaging,”, un gruppo di ricercatori studia le dinamiche di diffusione delle particelle in scala della polvere   utilizzando  in situ  alta velocità di imaging a raggi X ad alta energia.

I ricercatori hanno sviluppato un metodo sperimentale in cui hanno utilizzato l’imaging a raggi X ad alta energia ad alta velocità per caratterizzare il processo di diffusione della polvere con un’elevata risoluzione spaziale e temporale e studiare il processo di diffusione della scala di particelle  in-situ . Con questo metodo, hanno rivelato l’evoluzione dell’angolo di riposo, la velocità di scorrimento della superficie in pendenza e la rugosità della superficie in pendenza durante il processo di diffusione della polvere.

“Abbiamo osservato e analizzato l’evoluzione e il flusso di due diversi tipi di cluster di polvere sulla superficie del pendio e abbiamo esaminato da vicino le particelle che formavano tali cluster”, affermano i ricercatori. “Abbiamo analizzato l’interazione dinamica delle singole particelle con i loro rispettivi limiti e i coefficienti di attrito calcolati tra le polveri e i confini.”
Hanno sviluppato un sistema di diffusione della polvere per simulare il processo di diffusione in configurazioni di produzione additive. Il sistema consisteva in una struttura di espansione (pareti raschianti e confinanti) e un contenitore per letti in polvere. Il tergicristallo era costituito da una lama di alluminio che era perpendicolare al substrato del letto di polvere. Le pareti del confinamento, progettate per mantenere la polvere all’interno del sistema di diffusione, erano realizzate in grafite ad alta densità e fissate su entrambi i lati della lama.

“Le polveri sono sparse da un tergicristallo in alluminio (lama) a una velocità di spargimento di 11,5 mm / s su un substrato di alluminio”, spiegano i ricercatori.  “Mentre la polvere viene diffusa, un raggio di raggi X passa attraverso il letto di polvere e il segnale a raggi X viene registrato da un sistema di rilevamento. Il tempo di esposizione è di 500 ns. Una telecamera è impostata per registrare a una velocità di 10.000 fotogrammi al secondo e un’analisi delle immagini viene eseguita utilizzando Image9. ”
Hanno usato due diversi diametri di acciaio inossidabile 316 L in polvere. Otto campioni sono stati estratti e analizzati per ciascun tipo di polvere; i campioni sono stati accuratamente distribuiti su un substrato di vetro e quindi le immagini sono state ottenute utilizzando un microscopio ottico.

Diverse conclusioni sono state raggiunte dall’esperimento:

La dimensione media della polvere è un parametro importante che influisce sulla dinamica del flusso della polvere durante il processo di spargimento. La polvere con un diametro medio maggiore mostrava un angolo di riposo dinamico medio più alto e una velocità di flusso superficiale media più elevata rispetto alla polvere con un diametro medio inferiore.
I cluster di polveri influiscono sul comportamento di diffusione della polvere. I grappoli di polvere non potevano facilmente fluire attraverso la superficie del pendio.
Sono state caratterizzate interazioni di polveri con limiti e sono stati calcolati i coefficienti di attrito. I coefficienti cinetici calcolati di attrito erano 0,25 per le particelle che si muovono su un substrato di alluminio e 0,18 per le particelle che si muovono su una superficie di grafite ad alta densità.
“Le dinamiche di diffusione della polvere su scala di particelle rivelate sono importanti per comprendere il comportamento di diffusione della polvere nel processo di produzione additivo basato sul letto di polvere”, concludono i ricercatori. “Questo è fondamentale per lo sviluppo e la convalida di modelli più accurati per la previsione del comportamento di diffusione della polvere”.
Autori del giornale sono Luis I. Escano, Niranjan D. Parab, Lianghua Xiong, Qilin Guo, Cang Zhao, Kamel Fezzaa, Wes Everhart, Tao Sun e Lianyi Chen.

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