Pencirian dan Penerimaan Masuk Serbuk Logam untuk Cetakan 3D: Kaedah Penentuan daripada Taburan Saiz Partikel, Ketumpatan Pukal hingga Kadar Aliran Hall

Pengenalan: Dua Jenis Serbuk di Sebalik Sijil Pematuhan yang Sama

Dua pembekal masing-masing menyediakan serbuk Ti6Al4V, dan kedua-dua sijil pematuhan menyatakan D50=35μm, kandungan oksigen 0.12%, sferisiti baik, dengan perbezaan harga sebanyak 18%. Namun, prestasi pada mesin adalah sama sekali berbeza: kelompok A menghasilkan hamparan serbuk yang sekata dan trek lebur yang berterusan, dengan ketumpatan kekal stabil melebihi 99.6%; kelompok B kerap menunjukkan jalur pada hamparan serbuk, kadar kecacatan kekurangan pelakuran meningkat daripada 0.3% kepada 2.7%, dan 9 daripada pesanan 60 komponen terpaksa dilupuskan.

Isunya bukan tentang siapa yang menipu, tetapi empat indikator pada sijil pematuhan sememangnya tidak mencukupi untuk menerangkan tingkah laku serbuk. D50 hanya menunjukkan nilai median taburan saiz partikel, tanpa menunjukkan lebar taburan dan hujung partikel halus; sferisiti ialah istilah deskriptif yang tidak boleh dikuantitatkan; kandungan oksigen mengukur komposisi kimia keseluruhan bungkusan serbuk dan tidak dapat mengesan gas argon yang terperangkap dalam serbuk berongga. Faktor yang benar-benar menentukan tingkah laku hamparan dan peleburan ialah satu set kuantiti fizikal yang boleh diukur: bentuk taburan saiz partikel, ketumpatan pukal dan ketumpatan ketuk, kadar aliran Hall, serta kadar serbuk satelit dan serbuk berongga.

Satu, Taburan Saiz Partikel: Tiga Nombor Selain D50

Penganalisis saiz partikel difraksi laser memberikan taburan berwajaran isipadu. Laporan sekurang-kurangnya perlu menyemak empat titik: D10, D50, D90 dan span (D90-D10)/D50. Julat lazim LPBF ialah D10≈15–20μm, D50≈30–40μm, D90≈55–65μm, dengan span dikawal pada 1.2–1.8.

Dua hujung taburan ialah risiko sebenar. D10 yang terlalu rendah (terlalu banyak serbuk halus) membawa tiga kesan: peningkatan luas permukaan tentu meningkatkan penjerapan oksigen, aliran serbuk yang merosot menyebabkan ketebalan hamparan tidak seragam, dan percikan serta asap semasa pengimbasan laser meningkat dengan ketara, sehingga kitaran penggantian kanta pelindung boleh dipendekkan daripada 400 jam kepada 250 jam. D90 yang terlalu tinggi (terlalu banyak serbuk kasar) pula menyebabkan kesan seretan di bawah bilah hamparan, manakala partikel kasar mudah membentuk kawasan kekurangan pelakuran setempat.

Kriteria praktikal: jika D10 bagi satu kelompok lebih rendah daripada 12μm, atau D90 melebihi 70μm, kelompok tersebut hendaklah diklasifikasikan sebagai kelompok yang memerlukan tindakan walaupun D50 berada dalam spesifikasi. Serbuk kitar semula khususnya perlu dipantau bagi arah hanyutan saiz partikel—pengayakan menyingkirkan serbuk kasar, tetapi serbuk halus terkumpul mengikut bilangan kitaran. Oleh itu, D10 serbuk yang telah dikitar semula lebih daripada 5 kali biasanya 3–6μm lebih rendah berbanding serbuk baharu.

Dua, Ketumpatan Pukal dan Ketumpatan Ketuk: Indikator Asas Lapisan Serbuk

Ketumpatan pukal (apparent density) ialah ketumpatan serbuk apabila bertimbun secara bebas. Bagi Ti6Al4V, nilainya lazimnya 2.3–2.6 g/cm³, iaitu kira-kira 52–58% daripada ketumpatan teori; ketumpatan ketuk (tap density) diukur selepas bilangan getaran yang ditetapkan dan biasanya berada pada 2.8–3.1 g/cm³. Nisbah kedua-duanya dikenali sebagai nisbah Hausner, iaitu indikator paling murah untuk menilai kebolehaliran:

Nisbah Hausner < 1.25 → kebolehaliran baik dan boleh terus digunakan pada mesin; 1.25–1.40 → kebolehaliran sederhana, memerlukan pengurangan kelajuan hamparan atau penambahan bilangan pemadatan oleh bilah; > 1.40 → kebolehaliran lemah, ketumpatan lapisan serbuk tidak seragam dan tidak disyorkan untuk proses lapisan nipis (20–30μm).

Ketumpatan pukal secara langsung menentukan jisim serbuk sebenar bagi setiap lapisan. Hubungan yang boleh dikira: bagi mesin dengan ketebalan lapisan 30μm dan kawasan hamparan 250×250mm, jika ketumpatan pukal menurun daripada 2.5 kepada 2.2 g/cm³, jisim serbuk bagi setiap lapisan menurun kira-kira 12%. Dengan input tenaga laser yang tidak berubah, ini bersamaan dengan peningkatan ketumpatan tenaga sebanyak 12%—inilah salah satu sebab set parameter yang sama berfungsi normal dengan serbuk baharu tetapi menghasilkan lubang kunci pada serbuk kitar semula. Oleh itu, apabila menukar kelompok atau jenis serbuk, ketumpatan tenaga mesti disemak semula, bukannya menggunakan semula kad proses kelompok terdahulu.

Tiga, Kadar Aliran Hall: Menjadikan Kebolehaliran sebagai Nombor yang Boleh Diputuskan

Meter aliran Hall (Hall Flowmeter) mengukur masa yang diambil oleh 50g serbuk untuk melalui corong piawai dengan diameter bukaan 2.54mm, dalam unit s/50g. Ini ialah kaedah piawai yang ditetapkan oleh ASTM B213 dan juga salah satu item paling mudah dimasukkan dalam borang penerimaan masuk.

Julat rujukan: serbuk beratom gas berbentuk sfera seperti Ti6Al4V dan 316L biasanya 15–25 s/50g; 316L sedikit lebih pantas, iaitu 13–20 s/50g; AlSi10Mg, disebabkan ketumpatannya rendah dan mudah membentuk jambatan, biasanya berada pada 25–40 s/50g. Nilai melebihi 45 s/50g atau aliran terganggu (pembentukan jambatan atau aliran berselang) hendaklah terus diklasifikasikan sebagai tidak lulus, kerana serbuk ini akan menyebabkan kekurangan serbuk secara berkala di bawah bilah hamparan.

Dua perangkap pengukuran perlu diberi perhatian. Pertama, serbuk mesti kering: apabila kandungan lembapan melebihi 0.05% mengikut jisim, daya jambatan cecair antara partikel boleh memburukkan kadar aliran Hall sebanyak 20–40%. Oleh itu, sebelum ujian, serbuk perlu dikeringkan secara vakum pada 80–120℃ selama 2–4 jam, disejukkan ke suhu bilik dalam desikator, lalu diuji serta-merta. Kedua, serbuk kitar semula perlu diayak terlebih dahulu; jika tidak, partikel beraglomerat dan bebola percikan yang tertinggal boleh menyumbat bukaan corong, lalu yang diukur ialah masa penyumbatan, bukannya masa aliran.

Empat, Serbuk Satelit dan Serbuk Berongga: Kaedah Pengkuantitian Kecacatan Morfologi

Semasa pengatoman gas, titisan kecil boleh melekat pada permukaan partikel besar yang telah memejal lalu membentuk serbuk satelit (satellite). Serbuk satelit membawa dua kesan buruk: ia meningkatkan saling kunci mekanikal antara partikel dan memburukkan kebolehaliran; semasa hamparan serbuk, bonjolan ini menghalang penyusunan semula partikel dan mengurangkan ketumpatan lapisan serbuk. Serbuk berongga pula ialah partikel berliang tertutup yang terbentuk apabila gas pengatoman terperangkap dalam titisan lebur. Ia tidak menunjukkan anomali semasa peringkat hamparan, tetapi pecah dalam kolam lebur dan membebaskan gas, sekali gus membentuk liang sfera—liang sebegini sering tersilap ditafsirkan sebagai masalah parameter proses.

Terdapat dua laluan pengkuantitian dengan kos berbeza. Laluan kos rendah: selepas penyediaan sampel metalografi, ambil imej rawak bagi 10 medan pandangan pada pembesaran 500×, kira sekurang-kurangnya 200 partikel dalam setiap medan, dan statistikkan peratus serbuk satelit (partikel dengan bebola bebas yang melekat pada permukaan) serta serbuk berongga (partikel dengan rongga tertutup yang dapat dilihat pada keratan rentas). Ambang penentuan yang disyorkan ialah serbuk satelit ≤ 8%, serbuk berongga ≤ 1.5%. Laluan resolusi tinggi: gunakan SEM bersama analisis imej automatik untuk menghasilkan taburan sferisiti (kebulatan) dan taburan gabungan saiz partikel-morfologi secara serentak. Masa pengukuran bagi satu sampel kira-kira 20–30 minit, sesuai untuk kelulusan kelompok pertama daripada pembekal baharu.

Serbuk berongga juga mempunyai petunjuk tidak langsung: ketumpatan pukal jauh lebih rendah daripada nilai sejarah bagi kelompok yang sama, sedangkan taburan saiz partikel tidak berubah. Sebagai contoh, satu kelompok 316L mempunyai ketumpatan pukal 4.0 g/cm³ berbanding purata sejarah 4.4 g/cm³, manakala D50 dan span adalah normal. Pemeriksaan semula mendapati kadar serbuk berongga sebanyak 3.8%—serbuk berongga menurunkan ketumpatan timbunan, dan ini ialah isyarat amaran paling ekonomik.

Lima, Gandingan Luas Permukaan Tentu dan Peningkatan Oksigen

Luas permukaan tentu BET ialah indikator sensitif bagi kandungan serbuk halus. Luas permukaan geometri teori bagi Ti6Al4V berbentuk sfera pada D50=35μm adalah kira-kira 0.02 m²/g; jika nilai BET terukur mencapai 0.05–0.08 m²/g, ini menunjukkan terdapat banyak serbuk halus atau permukaan partikel kasar serta mempunyai struktur satelit. Bagi setiap penggandaan luas permukaan tentu, kadar pengambilan oksigen di bawah keadaan pendedahan yang sama secara kasarnya turut berganda. Inilah sebab kelompok dengan kadar serbuk halus tinggi mengalami peningkatan kandungan oksigen yang lebih pantas selepas bungkusan dibuka.

Untuk penerimaan masuk, disyorkan agar satu kriteria gandingan diwujudkan: apabila luas permukaan tentu BET melebihi purata sejarah sebanyak 30%, walaupun kandungan oksigen lulus spesifikasi, tempoh penggunaan selepas bungkusan dibuka perlu dipendekkan daripada 30 hari lazim kepada 14 hari, dan proses pengeringan sebelum penggunaan pada mesin perlu ditambah.

Enam, Borang Penerimaan Masuk yang Boleh Dilaksanakan

Menyusun indikator di atas dalam satu borang dengan keputusan yang jelas adalah jauh lebih berkesan daripada membincangkan “sferisiti baik”. Dicadangkan agar 6 item diuji bagi setiap kelompok dan 2 item diuji secara pensampelan:

Wajib diuji: ① taburan saiz partikel D10/D50/D90 dan span; ② ketumpatan pukal dan ketumpatan ketuk (pengiraan nisbah Hausner); ③ kadar aliran Hall (s/50g, purata daripada 3 ulangan); ④ kandungan oksigen dan nitrogen (kaedah peleburan gas lengai inframerah/konduktiviti terma); ⑤ kandungan lembapan (Karl Fischer atau kehilangan jisim semasa pengeringan); ⑥ penampilan dan bendasing (lapan kain putih, pemeriksaan pengasingan magnetik).

Ujian pensampelan (dicetuskan bagi kelompok pertama pembekal baharu atau apabila berlaku anomali proses): ⑦ kadar serbuk satelit dan serbuk berongga melalui metalografi/SEM; ⑧ luas permukaan tentu BET.

Peraturan penentuan perlu ditulis sebagai ambang, bukannya istilah deskriptif, dan nombor piawaian kaedah pengukuran serta peralatan perlu ditetapkan bagi setiap item. Jika tidak, pembekal dan pembeli akan mengukur menggunakan kaedah masing-masing, dan data tidak akan sepadan. Sampel simpanan juga sangat penting: simpan 200–300g sampel bertutup bagi setiap kelompok, dengan nombor kelompok, tarikh penerimaan dan nombor laporan ujian, sehingga serbuk kelompok tersebut habis digunakan dan kemudian selama 6 bulan lagi—sekiranya berlaku kecacatan secara besar-besaran, inilah satu-satunya bukti yang boleh dijejaki semula.

Kesimpulan

Inti penerimaan serbuk bukanlah mengukur lebih banyak indikator, tetapi mengukur kuantiti fizikal yang mempengaruhi hamparan dan peleburan, lalu menuliskannya sebagai ambang yang boleh diputuskan. Bagi taburan saiz partikel, perhatikan dua hujung D10 dan D90, bukan hanya D50; gunakan ketumpatan pukal dan ketumpatan ketuk untuk mengira nisbah Hausner, kemudian semak sama ada ketumpatan tenaga perlu ditentukur semula; kadar aliran Hall memberikan kriteria tegas bagi kebolehaliran; serbuk satelit dan serbuk berongga dikuantitatkan melalui metalografi atau SEM, manakala anomali ketumpatan pukal boleh menjadi amaran awal kos rendah bagi serbuk berongga.

Dalam sistem penyampaian lantu3D, pencirian serbuk bukan sekadar prosedur pemeriksaan bahan masuk, tetapi prasyarat kepada tetingkap proses—hanya apabila tingkah laku serbuk boleh diukur, parameter cetakan boleh dihasilkan semula dan kualiti penyampaian boleh dijamin.