Tái sử dụng bột in 3D kim loại và kiểm soát tỷ lệ pha trộn: phương pháp xuất lô từ độ trôi kích thước hạt, suy giảm độ chảy đến mức tăng oxy nitơ

Mở đầu: bột tuần hoàn không phải là “bột mới tiết kiệm được”, mà là một loại nguyên liệu có trạng thái sẽ bị trôi

Trong sản xuất nóng chảy lớp bột kim loại (LPBF/SLM), lượng bột chưa nóng chảy trong mỗi buồng in đều được thu hồi, sàng lọc, pha trộn rồi đưa vào sử dụng lại. Lấy một thiết bị có năng lực sản xuất trung bình làm ví dụ, tỷ lệ sử dụng bột trong một lần tạo hình thường nằm trong khoảng 30%—60%, nghĩa là gần một nửa lượng bột sẽ đi vào hệ thống tuần hoàn. Nếu coi bột tuần hoàn là “vật thay thế tương đương bột mới”, sự khác biệt trạng thái giữa lần tuần hoàn thứ nhất, thứ năm và thứ mười sẽ đột ngột bộc lộ dưới dạng khuyết tật: vệt sọc khi rải bột, không nóng chảy liên kết giữa các lớp, độ rỗ tăng, hàm lượng oxy vượt chuẩn, dao động cơ tính theo lô. Vấn đề kỹ thuật thực sự không phải là “có thể thu hồi hay không”, mà là “tuần hoàn đến lô thứ mấy, pha trộn theo tỷ lệ nào, và xuất lô theo tiêu chí nào”.

1. Cơ chế lão hóa của bột tuần hoàn: ba biến đổi xảy ra đồng thời

Sự suy giảm của bột trong quá trình tuần hoàn không phải là một chiều đơn lẻ, mà là sự chồng lấp của ba yếu tố: hình học hạt, thành phần hóa học và trạng thái vật lý bề mặt.

1) Trôi phân bố kích thước hạt (PSD coarsening). Vùng ảnh hưởng nhiệt quanh vũng nóng chảy sẽ sinh ra bắn tóe và bột vệ tinh; bột mịn bị dòng khí phân cấp và quá trình sàng ưu tiên cuốn đi hoặc kết tụ, khiến D10 và D50 dần tăng lên. Hiện tượng điển hình là: D50 của bột mới khoảng 35 μm, sau 8—10 lô tuần hoàn có thể tăng lên 42—45 μm, tỷ lệ bột mịn (<15 μm) giảm trên 30%. Kích thước hạt thô hơn sẽ trực tiếp nâng chiều dày rải bột tối thiểu theo hướng chiều dày lớp, làm giảm độ ổn định tạo hình của thành mỏng và kênh dòng tinh vi.

2) Mức tăng oxy nitơ và oxy hóa bề mặt. Bột có diện tích bề mặt riêng lớn, mỗi lần tiếp xúc trong các công đoạn lấy bột, sàng lọc, vận chuyển đều hấp phụ hơi nước và oxy. Với hợp kim titan TC4, thông lệ trong ngành là kiểm soát hàm lượng oxy trong khoảng 0,13%—0,20%; một khi mức tăng oxy của bột tuần hoàn vượt 0,02% so với đường cơ sở bột mới, độ giãn dài sẽ giảm ở mức có thể đo được. Hợp kim nhôm AlSi10Mg thì biểu hiện ở màng oxy hóa trong kim loại nóng chảy dày hơn và xu hướng cầu hóa tăng; thép không gỉ 316L có độ dung sai tương đối rộng hơn, nhưng mức tăng nitơ cũng sẽ làm thay đổi độ ổn định của austenit.

3) Suy giảm hình thái và độ chảy. Tỷ lệ bột vệ tinh, mảnh vỡ bất quy tắc và cụm kết tụ thiêu kết một phần tăng lên sẽ làm độ cầu giảm. Hệ quả trực quan nhất của suy giảm độ cầu là tốc độ chảy Hall xấu đi và mật độ đổ rời giảm: tốc độ chảy Hall của bột mới có thể ở mức 15—18 s/50g, đến giai đoạn tuần hoàn muộn có thể kéo dài trên 22 s/50g, thể hiện thành vệt kéo khi dao gạt rải bột, thiếu bột cục bộ và chiều dày lớp không đều.

2. Kiểm soát tỷ lệ pha trộn: chuyển “số lần tuần hoàn” thành “tỷ lệ phối có thể xuất lô”

Bột tuần hoàn không thể sử dụng vô hạn, nhưng cũng không nên loại bỏ cứng nhắc theo số lần cố định. Cách làm vững chắc hơn trong kỹ thuật là xây dựng quy tắc ba bước: “chỉ tiêu lão hóa — tỷ lệ pha trộn — tiêu chí xuất lô”.

Bước một: dùng pha trộn pha loãng thay cho tái sử dụng trực tiếp. Chiến lược phổ biến là pha bột tuần hoàn với bột mới theo tỷ lệ cố định, chẳng hạn 70:30 hoặc 50:50, sau đó trộn trong máy trộn bột ở tốc độ thấp, thời gian ngắn để tránh phá hủy độ cầu lần hai, rồi lấy mẫu kiểm tra. Bản chất của pha trộn là dùng bột mới kéo phân bố kích thước hạt và hàm lượng oxy trở lại trong cửa sổ công nghệ.

Bước hai: thiết lập khoảng pha trộn phân cấp. Nên phân cấp trong hồ sơ lô theo kết quả kiểm tra: khi độ trôi PSD <5% và mức tăng oxy <0,01%, cho phép pha 70:30; khi độ trôi PSD 5%—10% và mức tăng oxy 0,01%—0,02%, siết lại còn 50:50; khi bất kỳ chỉ tiêu nào vượt giới hạn, lô đó không được đưa vào buồng tạo hình nữa, mà hạ cấp dùng cho thử chế tạo chi tiết không trọng yếu hoặc trả về nhà cung cấp xử lý. Các khoảng phân cấp phải được hiệu chuẩn bằng dữ liệu đo thực tế của chính nhà máy, không thể sao chép trực tiếp giá trị của nhà máy khác.

Bước ba: thiết lập giới hạn cứng và loại bỏ bắt buộc. Ngay cả khi mỗi lần kiểm tra đều đạt, vẫn nên đặt giới hạn trên cho số lần tuần hoàn tích lũy, thường lấy 8—12 lần đối với đa số hệ kim loại, hoặc giới hạn trên cho thời gian phơi nhiệt tích lũy; khi đạt ngưỡng thì bắt buộc loại bỏ. Lý do là một số suy giảm, như vi nứt bên trong hạt và biến dạng mạng tinh thể, không thể được phát hiện với chi phí thấp bằng các phương pháp kiểm tra thông thường.

3. Phương pháp kiểm tra và tính đại diện của lấy mẫu

Việc kiểm soát tỷ lệ pha trộn có triển khai được hay không phụ thuộc vào độ tin cậy của kiểm tra. Nên cấu hình tần suất và hạng mục như sau:

Phân bố kích thước hạt: dùng phương pháp nhiễu xạ laser, lấy mẫu một lần sau khi pha trộn mỗi lô; điểm lấy mẫu nên ở cửa xả của máy trộn bột, không phải lớp bề mặt trong thùng chứa, để tránh dữ liệu giả do phân tầng. Cần chú ý cả ba chỉ tiêu D10/D50/D90, không chỉ nhìn D50.

Độ chảy: dùng lưu lượng kế Hall, phương pháp phễu, kết hợp với mật độ đổ rời, như tốc độ chảy Hall và chỉ số Carr, để đánh giá tổng hợp; chỉ nhìn tốc độ chảy dễ bỏ sót suy giảm dạng kết tụ.

Thành phần hóa học: máy phân tích oxy nitơ hydro, phương pháp nóng chảy trong khí trơ, phải kiểm tra mỗi lô; đặc biệt quan trọng với hợp kim titan và hợp kim nhôm. Nên dùng “mức tăng so với đường cơ sở bột mới” làm tiêu chí, thay vì giá trị tuyệt đối.

Hình thái: kiểm tra lấy mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), cứ mỗi 5 lô hoặc mỗi khi xuất hiện một bất thường khuyết tật thì lấy mẫu bổ sung một lần, tập trung thống kê tỷ lệ bột vệ tinh và tỷ lệ hạt vỡ.

Xác nhận công nghệ: mỗi lô pha trộn giữ lại một nhóm mẫu chuẩn, như thanh kéo/mẫu khối kiểm tra độ đặc, dùng dữ liệu mật độ tương đối và kéo để truy ngược xem quy tắc xuất lô có cần siết chặt hay không.

4. Điểm triển khai và sai lầm thường gặp

Sai lầm một: chỉ nhìn số lần tuần hoàn. Cùng một số lần tuần hoàn, chênh lệch phơi nhiệt giữa sản xuất liên tục đầy bàn các chi tiết nhỏ và sản xuất thưa các chi tiết lớn là rất lớn; số lần không phải là biến đại diện đáng tin cậy.

Sai lầm hai: số mesh sàng càng mịn càng tốt. Sàng quá mức sẽ loại bỏ lượng lớn bột mịn vẫn có thể dùng, ngược lại làm tăng chi phí và thay đổi phân bố kích thước hạt; số mesh sàng nên khớp với dải kích thước hạt danh nghĩa của bột, thường chọn quy cách hơi lớn hơn D90 và định kỳ kiểm tra hư hỏng của lưới sàng.

Sai lầm ba: bỏ qua khâu môi trường. Nếu lấy bột, sàng lọc và vận chuyển diễn ra trong môi trường không kiểm soát độ ẩm, khuyết tật lỗ rỗ do hút ẩm thường bị phán đoán nhầm là vấn đề thông số công nghệ. Nên kiểm soát độ ẩm phòng sàng dưới 40%RH và sấy tiền xử lý đối với bột bị phơi lâu.

Danh sách triển khai: thiết lập lịch sử lô cho bột của từng buồng, gồm số lần tuần hoàn, tỷ lệ pha trộn, giá trị kiểm tra, thiết bị sử dụng; hồ sơ pha trộn và mã số chi tiết tạo hình phải truy xuất hai chiều; khi bất kỳ bất thường khuyết tật nào được kích hoạt, trước tiên truy ngược dữ liệu PSD và oxy nitơ của lô đó, rồi mới điều chỉnh thông số công nghệ.

Kết luận

Tái sử dụng bột in 3D kim loại về bản chất là vấn đề quản lý chuỗi “trạng thái nguyên liệu — cửa sổ công nghệ — hiệu năng thành phẩm”. Khi lượng hóa độ trôi kích thước hạt, suy giảm độ chảy và mức tăng oxy nitơ thành các chỉ tiêu có thể kiểm tra, rồi dùng tỷ lệ pha trộn phân cấp và giới hạn cứng để ràng buộc chúng trong cửa sổ công nghệ, bột tuần hoàn mới có thể chuyển từ điểm rủi ro chi phí thành lợi thế chi phí có thể kiểm soát. Với bên giao hàng, giá trị của bộ quy tắc này không nằm ở việc “tiết kiệm được bao nhiêu bột”, mà ở chỗ giúp chi tiết ở buồng thứ 200 có đường cơ sở hiệu năng có thể so sánh với chi tiết ở buồng thứ 1.