Charakterisierung von Metallpulver und Fließfähigkeit

Im Dezember 2020 erschien in Nature eine Arbeit von Forschern der Universität Ostrava (Tschechien) über Verfahren zur Charakterisierung von Metallpulver und zur Fließfähigkeit.

Metallteile entstehen mit herkömmlichen und mit modernen Verfahren. Die meisten modernen Verfahren verwenden Metallpulver als Rohstoff und verarbeiten es weiter, zum Beispiel durch Pressen, Sintern, thermisches Spritzen oder additive Fertigung wie selektives Laserschmelzen (SLM), Laser-Pulverzufuhr (LPF), Binder Jetting (BJ), Elektronenstrahl-Pulverbettverfahren (EPBF) und andere. Die Wahl des Verfahrens ändert die Eigenschaften des Teils, für alle Verfahren sind aber die Eingangseigenschaften des Pulvers wichtig: Fließfähigkeit, chemische Zusammensetzung, Teilchengröße, optische und thermophysikalische Eigenschaften, Oberflächenspannung und weitere. Jedes additive Verfahren stellt eigene Anforderungen an die Pulverparameter.

Mit der Verbreitung der additiven Fertigung wird die Charakterisierung von Metallpulver wichtiger: Die Pulvereigenschaften müssen zur jeweiligen Maschine passen, und die Fertigung muss gleichmäßig sein. Die Arbeit charakterisiert zehn Metallpulver (316L, Zn, Sn, Al, Cu, Mn, Fe, Bronze, Ti und Mo): Teilchengrößenverteilung, Morphologie, statischen und dynamischen Schüttwinkel sowie den effektiven inneren Reibungswinkel (AIFE).

Die Ausflussgeschwindigkeit wurde über den statischen Schüttwinkel (AOR) beurteilt und durch Änderung des AOR ergänzt, um das Verhalten der Probe zu beschreiben. Die Fließfähigkeit wurde außerdem mit Scherversuchen auf den Geräten RST, PFT und FT4 bestimmt. Der statische AOR wurde auf einem nach Patent PV2015-239 geschützten Gerät gemessen. Die Prüfung von Gerät und Verfahren für den statischen und dynamischen Auslaufwinkel der Technischen Universität Ostrava VSB ist unten gezeigt; die Einrichtung wird Zenegero genannt.

Einrichtung zur Einstellung des AOR

Statischer AOR von zehn Metallpulvern

Unten steht die Zusammenfassung der Messung des dynamischen Schüttwinkels (DAOR). Bei den meisten Proben stieg der mittlere gemessene Winkel, wenn die Drehfrequenz von 0,2 Hz auf 0,6 Hz zunahm. Die Abbildungen zeigen alle Proben: 316L, Sn, Ti, Fe, Bronze, Al, Cu, Zn, Mn und Mo.

Beim Pulver 316L war der Unterschied der mittleren Winkel bei Drehung von 0,2 bis 0,6 Hz am größten. Mit steigender Frequenz wechselte das Fließbild vom Rollen bei 0,2 Hz zum Kaskadieren bei 0,6 Hz. Der Mittelwert der Winkel bei drei lokalen Geschwindigkeiten hatte eine große Standardabweichung: 49,4° ± 9°. Bei Zinn war die Streuung des mittleren Winkels am kleinsten: 44,8° ± 1,5°. Deshalb zeigte Zinnpulver die beste Gesamtstabilität des dynamischen Fließens. An der Art des Fließens während der DAOR-Messung bestätigte sich die Stabilität durch gleichbleibendes Rollen bei allen Prüffrequenzen. Am stärksten änderte sich das Fließen von Aluminiumpulver mit der Frequenz: bei niedriger Frequenz Rollen, danach allmählich Kataraktbewegung.

Der AIFE wurde auf drei verbreiteten Geräten bestimmt: RST, PFT und FT4. Die Abbildungen zeigen den AIFE von zehn Pulvern und die Bereiche von RST, PFT und FT4. Bei allen Pulvern außer Aluminium war der absolute Bereich auf dem PFT am kleinsten; das kann an der Auswertesoftware liegen. Auf dem FT4 war die Änderung des effektiven AIFE-Winkels am größten. Bei Aluminium kann die große Spannweite damit zusammenhängen, dass es ein leichtes, weiches Metall ist und sich leicht plastisch verformt. Bei Titan, bei dem 90 % der Teilchen nicht gröber als 452 µm sind, hängt die deutliche Streuung des effektiven Winkels von Größe und Form der Teilchen ab. Bei der Messung verkeilten sich größere Titanteilchen zwischen Glaszylinder und Messflügel (Scherkopf). Der Spalt beträgt 1 mm, die Form der Titanteilchen erhöhte aber den Widerstand des Flügels gegen die Bewegungsrichtung und damit die Schubspannung.

AIFE von zehn Metallpulvern

Ziel der Arbeit ist die Beurteilung des Fließens von Metallpulvern und einer möglichen Abhängigkeit von mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Mischung, der Teilchen und weiterer Parameter. Verwendet wurden übliche Verfahren auf der Grundlage bekannter Schüttgutklassen; sie werden weiterhin eingesetzt, auch bei Digitalisierung und im Zusammenhang mit Industrie 4.0.

Quelle: Characterization and flowability methods for metal powders

• Jiri Zegzulka, Daniel Gelnar, Lucie Jezerska, Rostislav Prokes & Jiri Rozbroj