Metallpulver Partikelcharakterisierung für den additiven Fertigungsprozess

Technologien der additiven Fertigung werden zunehmend beim Bau von Maschinen, Transportmitteln und vielen anderen Produkten eingesetzt. Im Flugzeugbau eröffnet der metallische 3D-Druck beispielsweise völlig neue Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung und damit zur Senkung des Kerosinverbrauchs.

Teile, die zuvor aus Dutzenden einzelner Komponenten zusammengesetzt werden mussten, können nun direkt in einem Stück hergestellt werden. Fortschritte in der Entwicklung der additiven Fertigung ermöglichen es, immer mehr Bauteile in großen Mengen durch 3D-Druck herzustellen. 

Metallpulver, das für die additive Fertigung verwendet wird, muss höchsten Qualitätsanforderungen entsprechen: Die Partikelgrößenverteilung sollte eng sein und muss so genau wie möglich bekannt sein, um das Verhalten des Materials während des Sinterprozesses steuern zu können.

MICROTRAC Partikelanalysatoren eignen sich ideal zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung von Metallpulvern, die für additive Fertigungsverfahren verwendet werden. Im Folgenden werden geeignete Messtechnologien, allgemeine Überlegungen sowie verschiedene Beispiele zur Charakterisierung von Metallpulverpartikeln vorgestellt.

Metallpulver & Additive Fertigung Laserbeugung kombiniert mit Bildanalyse Particle characterization methods

Die Laserbeugung ist die Standardmethode zur Bestimmung Partikelgrößenverteilungen in vielen Branchen. Diese Technik kann auch Partikel in einem Luftstrom oder als Suspension in einer Flüssigkeit analysieren.

Das Messverfahren beruht auf dem Messprinzip, dass Laserlicht von Partikeln unterschiedlicher Größe in unterschiedlichen Winkeln gebeugt oder gestreut wird. Die Berechnung der Partikelgrößenverteilung basiert auf der Analyse der gestreuten Lichtmuster.

Die Stärke der Messmethode liegt in ihrer hohen Flexibilität, der einfachen Handhabung und dem äußerst großen Messbereich von 10 nm bis 4 mm. Allerdings ist die Laserbeugung nicht geeignet, um die Partikelform zu bestimmen.

Aus diesem Grund hat Microtrac seinen leistungsstarken Laserbeugungsanalysator SYNC mit einem zusätzlichen Kameramodul auf Basis der dynamischen Bildanalyse ausgestattet. Hierfür wird die gleiche Messzelle und das gleiche Dispergiersystem wie bei der Lichtstreuungsmessung verwendet. 

Beispiel Übergroße Partikel

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.

Beispiel Satellites

Metallpulver & Additive Fertigung Method Comparison and Summary