Penggunaan Semula Serbuk Percetakan 3D Logam dan Kawalan Nisbah Campuran: Kaedah Pelepasan Kelompok daripada Hanyutan Saiz Zarah, Kemerosotan Kebolehaliran hingga Peningkatan Oksigen dan Nitrogen

Pengenalan: serbuk kitar semula bukan “serbuk baharu yang dijimatkan”, tetapi bahan mentah yang keadaannya boleh berubah

Dalam pengeluaran peleburan katil serbuk logam (LPBF/SLM), setiap tangki serbuk yang tidak cair akan dipulihkan, diayak, dicampur dan digunakan semula. Mengambil sebuah mesin berkapasiti sederhana sebagai contoh, kadar penggunaan serbuk bagi satu proses pembentukan biasanya berada antara 30%—60%, yang bermaksud hampir separuh serbuk akan memasuki sistem kitar semula. Jika serbuk kitar semula dianggap sebagai “pengganti setara kepada serbuk baharu”, perbezaan keadaan antara kitaran pertama, kelima dan kesepuluh akan tiba-tiba terserlah dalam bentuk kecacatan: jalur semasa hamparan serbuk, ketidakgabungan antara lapisan, peningkatan keliangan, kandungan oksigen melebihi had dan turun naik sifat mekanikal antara kelompok. Isu kejuruteraan sebenar bukanlah “bolehkah ia dipulihkan”, tetapi “hingga kelompok kitar semula ke berapa, pada nisbah campuran berapa, dan dengan kriteria apa ia dilepaskan”.

1. Mekanisme penuaan serbuk kitar semula: tiga perubahan berlaku serentak

Kemerosotan serbuk semasa proses kitar semula bukan berdimensi tunggal, tetapi gabungan geometri, komposisi kimia dan keadaan fizikal permukaan.

1) Hanyutan taburan saiz zarah (PSD coarsening). Zon terkesan haba di sekitar kolam lebur akan menghasilkan percikan dan serbuk satelit. Serbuk halus lebih mudah terbawa keluar atau beragregat semasa pengelasan aliran gas dan pengayakan, menyebabkan D10 dan D50 meningkat secara beransur-ansur. Fenomena tipikal ialah: D50 serbuk baharu kira-kira 35 μm, tetapi selepas 8—10 kelompok kitar semula ia mungkin meningkat kepada 42—45 μm, manakala bahagian serbuk halus (<15 μm) menurun lebih 30%. Saiz zarah yang menjadi lebih kasar akan secara langsung menaikkan ketebalan hamparan serbuk minimum mengikut arah ketebalan lapisan, lalu menurunkan kestabilan pembentukan dinding nipis dan saluran aliran halus.

2) Peningkatan oksigen dan nitrogen serta pengoksidaan permukaan. Serbuk mempunyai luas permukaan tentu yang besar, dan setiap pendedahan semasa pengambilan serbuk, pengayakan serta pemindahan akan menyerap air dan oksigen. Bagi aloi titanium TC4, amalan industri lazimnya ialah mengawal kandungan oksigen dalam julat 0.13%—0.20%. Sebaik sahaja peningkatan oksigen dalam serbuk kitar semula melebihi 0.02% berbanding garis asas serbuk baharu, pemanjangan akan menunjukkan penurunan yang boleh diukur; aloi aluminium AlSi10Mg pula menunjukkan penebalan filem oksida leburan dan peningkatan kecenderungan pembentukan bebola; keluli tahan karat 316L mempunyai toleransi yang relatif lebih luas, tetapi peningkatan nitrogen juga boleh mengubah kestabilan austenit.

3) Kemerosotan morfologi dan penurunan kebolehaliran. Peningkatan bahagian serbuk satelit, serpihan tidak sekata dan aglomerat separa tersinter akan menurunkan kebulatan. Kesan paling jelas daripada kemerosotan kebulatan ialah kemerosotan kadar aliran Hall dan penurunan ketumpatan pukal longgar: kadar aliran Hall serbuk baharu mungkin berada pada 15—18 s/50g, tetapi pada peringkat akhir kitar semula ia boleh memanjang kepada lebih 22 s/50g, ditunjukkan sebagai jalur seretan semasa bilah meratakan serbuk, kekurangan serbuk setempat dan ketebalan lapisan tidak seragam.

2. Kawalan nisbah campuran: menukar “bilangan kitar semula” kepada “nisbah campuran yang boleh dilepaskan”

Serbuk kitar semula tidak boleh digunakan tanpa had, tetapi ia juga tidak wajar dilupuskan secara pukul rata berdasarkan bilangan kitaran tetap. Pendekatan kejuruteraan yang lebih mantap ialah membina peraturan tiga peringkat: “penunjuk penuaan—nisbah campuran—kriteria pelepasan”.

Peringkat pertama: gunakan pencairan melalui campuran, bukan penggunaan semula secara langsung. Strategi lazim ialah mencampurkan serbuk kitar semula dengan serbuk baharu pada nisbah tetap, contohnya 70:30 atau 50:50, kemudian mencampurkannya dalam mesin pencampur serbuk pada kelajuan rendah dan masa singkat untuk mengelakkan kerosakan sekunder pada kebulatan, sebelum mengambil sampel untuk ujian. Inti pencampuran ialah menggunakan serbuk baharu untuk menarik semula taburan saiz zarah dan kandungan oksigen ke dalam tetingkap proses.

Peringkat kedua: tetapkan julat campuran bertingkat. Disyorkan agar pengelasan dibuat dalam rekod kelompok berdasarkan keputusan ujian: apabila hanyutan PSD <5% dan peningkatan oksigen <0.01%, campuran 70:30 dibenarkan; apabila hanyutan PSD 5%—10% dan peningkatan oksigen 0.01%—0.02%, ia diperketat kepada 50:50; apabila mana-mana penunjuk melepasi had, kelompok tersebut tidak lagi dimasukkan ke dalam tangki pembentukan, tetapi diturunkan gred untuk percubaan komponen bukan kritikal atau dikembalikan kepada pembekal untuk pemprosesan. Julat bertingkat mesti ditentukur menggunakan data ujian sebenar kilang sendiri dan tidak boleh disalin terus daripada nilai kilang lain.

Peringkat ketiga: tetapkan had maksimum keras dan pelupusan wajib. Walaupun setiap ujian lulus, had maksimum bilangan kitaran terkumpul, lazimnya 8—12 kali bagi kebanyakan sistem logam, atau had maksimum tempoh pendedahan haba terkumpul tetap perlu ditetapkan. Setelah dicapai, pelupusan wajib perlu dilakukan. Sebabnya ialah sebahagian kemerosotan, seperti retakan mikro dalaman zarah dan terikan kekisi, tidak dapat dikesan pada kos rendah melalui kaedah ujian konvensional.

3. Kaedah ujian dan keterwakilan pensampelan

Sama ada kawalan nisbah campuran boleh dilaksanakan bergantung pada kebolehpercayaan ujian. Konfigurasi kekerapan dan item berikut disyorkan:

Taburan saiz zarah: Kaedah pembelauan laser; ambil sampel sekali selepas setiap kelompok dicampur. Titik pensampelan hendaklah di saluran keluar mesin pencampur serbuk, bukan pada permukaan tong bahan, bagi mengelakkan data palsu akibat pengasingan. Beri perhatian kepada D10/D50/D90, bukan hanya D50.

Kebolehaliran: Gunakan meter kadar aliran Hall, iaitu kaedah corong, bersama ketumpatan pukal longgar, seperti kadar aliran Hall dan indeks Carr, untuk penilaian gabungan; melihat kadar aliran sahaja mudah terlepas kemerosotan jenis aglomerasi.

Komposisi kimia: Penganalisis oksigen, nitrogen dan hidrogen, iaitu kaedah peleburan gas lengai, wajib diuji bagi setiap kelompok; ini amat kritikal untuk aloi titanium dan aloi aluminium. Disyorkan agar “peningkatan relatif terhadap garis asas serbuk baharu” digunakan sebagai kriteria, bukannya nilai mutlak.

Morfologi: Pemeriksaan rawak menggunakan mikroskop elektron pengimbas (SEM); lakukan satu pemeriksaan tambahan setiap 5 kelompok atau setiap kali kecacatan luar biasa berlaku, dengan tumpuan pada statistik bahagian serbuk satelit dan zarah pecah.

Pengesahan proses: Simpan satu set spesimen piawai bagi setiap kelompok campuran, seperti rod tegangan atau blok ujian pemadatan, untuk menyemak semula sama ada peraturan pelepasan perlu diperketat berdasarkan ketumpatan relatif dan data tegangan.

4. Perkara pelaksanaan dan salah faham lazim

Salah faham pertama: hanya melihat bilangan kitaran. Bagi bilangan kitaran yang sama, perbezaan pendedahan haba antara pengeluaran berterusan komponen kecil yang memenuhi keseluruhan pelantar dan pengeluaran komponen besar yang jarang sangat besar; bilangan kitaran bukan pemboleh ubah wakil yang boleh dipercayai.

Salah faham kedua: semakin halus nombor mesh ayakan, semakin baik. Pengayakan berlebihan akan menyingkirkan sejumlah besar serbuk halus yang masih boleh digunakan, sekali gus menaikkan kos dan mengubah taburan saiz zarah; nombor mesh ayakan harus sepadan dengan julat saiz zarah nominal serbuk. Biasanya spesifikasi yang sedikit lebih besar daripada D90 dipilih, dan kerosakan ayakan perlu disahkan secara berkala.

Salah faham ketiga: mengabaikan persekitaran. Jika pengambilan serbuk, pengayakan dan pemindahan dilakukan dalam persekitaran tanpa kawalan kelembapan, kecacatan liang akibat penyerapan lembapan sering disalah anggap sebagai masalah parameter proses. Disyorkan agar kelembapan bilik pengayakan dikawal di bawah 40%RH, dan serbuk yang terdedah untuk tempoh lama diberi prarawatan pengeringan.

Senarai pelaksanaan: Wujudkan sejarah kelompok bagi setiap tangki serbuk, termasuk bilangan kitaran, nisbah campuran, nilai ujian dan mesin yang digunakan; rekod campuran dan nombor komponen terbentuk mesti boleh dikesan dua hala; apabila sebarang kecacatan luar biasa dicetuskan, semak semula dahulu data PSD serta oksigen dan nitrogen kelompok tersebut sebelum melaras parameter proses.

Kesimpulan

Penggunaan semula serbuk percetakan 3D logam pada asasnya ialah isu pengurusan rantaian “keadaan bahan mentah—tetingkap proses—prestasi produk siap”. Hanya apabila hanyutan saiz zarah, kemerosotan kebolehaliran serta peningkatan oksigen dan nitrogen dikuantifikasikan sebagai penunjuk boleh uji, kemudian dikekang dalam tetingkap proses melalui nisbah campuran bertingkat dan had maksimum keras, barulah serbuk kitar semula boleh berubah daripada titik risiko kos kepada kelebihan kos yang terkawal. Bagi pihak penghantar, nilai peraturan ini bukan pada “berapa banyak serbuk dijimatkan”, tetapi pada keupayaannya memastikan komponen daripada tangki ke-200 mempunyai garis asas prestasi yang boleh dibandingkan dengan komponen daripada tangki pertama.