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紧跟金属3D打印规模化生产脚步,是时候关注如何安全、高效的管理金属粉末了

发布时间:2020-03-11  点击量:1067

  基于粉末床熔融工艺的增材制造-3D打印技术,正在走向批量生产的应用。但在生产环境中承担批量生产的任务,是不同于少量原型制造的全新应用场景,伴随着角色的转变,3D打印技术会不会在生产环境中“水土不服”呢?根据3D科学谷的市场观察,国际上领先的工业软件和3D打印设备企业,正在着手应对这一挑战。

  西门子、欧特克等工业软件企业,从设计融合、制造流程融合的角度出发,为3D打印与传统制造技术的集成做了铺垫。在硬件方面一个明显的趋势是,实现增材制造生产自动化,并与传统制造工艺进行无缝衔接。例如乔治费歇尔集团的GF 加工方案,借助自身在传统减材制造和自动化方面的专业特长,打造了混合型生产解决方案,包括粉末床金属3D打印,以及铣削、电加工(EDM)、线切割(WEDM)、激光纹理加工等完成零件成品所需的全部工艺流程,GF 加工方案将这些技术进行集成,组建“未来工厂”。

  除了软件与设备,如何对粉末床工艺所需的金属粉末材料,进行安全、高效的管理、使用与回收,也是粉末床金属3D打印技术在更多民用工业领域得到规模化应用的前提。本期,3D科学谷将通过分享粉末材料真空输送系统制造商Volkmann 对于金属3D打印粉末控制与使用的经验与看法,与谷友一起探讨这一话题。

封闭、安全、高效的传输粉末材料

  目前的比较常见的应用场景是,一个车间中安装了两三台金属3D打印设备,金属粉末由小容量容器送入设备。这种情况在增材制造设备数量少且构建周期较长时,是可以接受的。但当更多增材制造设备投入到生产中,以及制造速度提升,打印部件的尺寸变得更大时,在粉末供给过程中就尤其需要规避粉末爆炸的潜在风险,并实现致密粉末的有效管理。

  在食品、化学和制药等行业中,粉末材料在生产环境中进行传递是很普遍的,但是在传统的机械加工车间中,人们更熟悉棒材、钣金材料的处理要求,对于安全、封闭的进行粉末材料处理是缺乏经验的。因此,粉末床金属增材制造工艺中的粉末材料管理,可以跨界借鉴其他领域的经验。

  在金属粉末材料的增材制造工艺中,包含三个涉及到粉末材料传输的环节。

-从初始供应处将材料装载到打印机中

·中型散货散装

·小容器

-移出剩余粉末的过程

·从打印机构建室直接移出未熔融粉末

·从打印设备中的粉末溢出收集器中移出粉末

·从打印件中被清除的粉末

-将粉末材料送回打印机,进行循环使用的过程

·筛选和收集上次剩余粉末

·回收材料与原始材料进行一定比例的混合

·根据需要对粉末进行干燥处理(在粘结剂喷射3D打印中有可能出现的情况)

*以上情况包括惰性环境和非惰性环境。

规避爆炸风险

  在以上这些增材制造工作环境中,明显的挑战是如何保持工作场所区域清洁,避免操作员吸入超细金属粉末的风险,同时避免操作人员穿戴笨重的防护服和呼吸装置的需要。在这种环境下,与机械压力或“送风系统”气动输送装置相比,封闭式真空粉末传输系统更具优势,因为在本就不太可能发生泄漏的情况下,空气会向内流动,从而使粉末留在容器内。

  封闭式真空传输装置由真空泵、过滤器系统和以给定速度控制生成的气流中粉末量的装置组成。真空泵使系统中的压力在排放端降低,从而使空气(或气体)从较高的压力区域传递到较低的压力区域。在给定速度(通常称为盐化速度)下,气流能够携带一定量的粉末,从而将粉末从一端转移到另一端。而过滤系统的作用是,在粉末到达目的地时将粉末从气流中分离出来。

  ▲真空泵(1)在真空输送机的分离容器中产生负压,空气从已经从产品进料站转移过来的进气口(2)吸入,运输的物料移动。真空的空气通过分离容器内沉积材料的过滤器系统(3),并在那里积聚。在微尘的情况下,由于较低的过滤器表面负荷,附加的旋风分离器(4)可实现更高的流速。填充分离器容器后,关闭真空泵。分离容器中的压力迅速降至大气压。卸料模块(5)中的阀打开,被输送的粉末从真空输送机直接落入接收容器。清空时 过滤器通过压缩空气的回流脉冲进行清洁。在这种情况下,所有滤饼都会被可靠地清除。如果需要传输的是“桥接”或粘合材料,则可以添加可选的活塞振动器和流化单元以帮助排出。排空完成后,卸料阀关闭,输送过程再次开始。

  听起来虽然简单,但是在实际操作中,粉末的行为是难以预测的,它们受到水分、颗粒形状、粒度分布、堆积密度和流动性等因素的影响,这些因素叠加在一起时,更给预测粉末行为带来难度。而与细糖粉末、咖啡奶精、淀粉等细粉末材料一样,在增材制造过程中人们每天都要处理的粉末材料,在一定条件下也同样具有潜在的爆炸风险。下图展示了引起爆炸的条件。

▲ 引起爆炸的三个条件:氧气、易燃物、点火源

来源:Powder Bulk Solid

  消除三角形中所显示的三个因素中的任何一个,将能防止发生爆炸。一般而言,大于500微米的颗粒不被认为具有高风险,但通常30至45微米的金属粉末具有高风险。

ATEX防爆认证体系确定了13种点火源:

1.化学反应

2.灼热表面

3.机械火花

4.火焰,热气

5.电气单元

6.雷击

7.电子补偿电流

8.超声波

9.高频辐射 

10.电磁波

11.绝热压缩

12.电离辐射

13.静电荷

  在列出的13个因素中,只有最后一个-静电荷与全气动真空输送系统有关,该系统可以用于从增材制造机器中传输或卸载金属粉末。但能够通过将所有组件接地来消除静电问题*。获得ATEX防爆运行认证的传输系统即达到了使用标准,而只有在经过细的设计提交,测试和形成文件的严格过程之后,真空输送系统才能获得ATEX防爆运行认证,最终达到授予标准的目的。

氧气问题

  根据Volkmann ,当前市场上对于如何解决火焰三角中另一个要素-氧气的存在感到困惑。毫无疑问,消除氧气是避免爆炸危险的一种方法。但是,正如在以前的ATEX认证声明中看到的,对于最小点火能量(MIE)大于1mJ(兆焦耳)的粉末来说,这并不是必需的。

  有的公司根据一些风险分析的研究结果认为,合适的方式是将氧气含量降低到6%以下。另外,从冶金学的角度考虑,为了防止金属粉末氧化,打印需要在氮气或氩气惰性环境中进行,如果需要惰性转移,必须使用具有此类系统经验的供应商。惰性气体价格昂贵,闭环系统将使气体使用量最小化。在这些系统中,来自真空泵的废气再次循环成为输送气体。这样的系统需要氧气监控,吹扫系统和验证氧含量以及在物料转移过程中控制该含量的能力。

  下图显示了粉末筛选和卸载站的基本闭环电路。请注意,接收粉末的容器是惰性环境,并且需要进行连接,以便在与筛分机断开连接时保持惰性条件。

▲闭环惰性气体传输和传输系统的示例

来源:Powder Bulk Solid

高效的金属粉末处理

  如前文所述,在金属零部件的增材制造过程中,有三个环节中需要进行粉末处理,而在每个环节中进行合理操作才能确保粉末处理有效。制造企业如果安装了多台3D打印设备,这些设备可能用于打印同一种金属粉末,也有可能会根据应用需要更换不同的粉末材料。

  如果使用同一种粉末材料,则非常需要一种能够同时向三台或四台机器输入和卸载粉末的输送系统(如下图所示),并且通过使用相同的回路以封闭的、便于操作的方式进行。如果一台机器需要使用多种不同的粉末,那么需要考虑更换粉末前的清洁问题。

▲ 供多台设备使用的单输送系统示例

来源:Powder Bulk Solid

  增材制造的生产需求不断增长,对有效进行金属粉末打印材料的输送提出了更高要求。目前,我们看到许多金属粉末是通过小容量的料斗或桶输送的,除了可能受到粉末需求量的影响,还与材料重量相关,比如说用一个五升的材料容器来盛放镍铬合金这种致密的材料,虽然体积并不大,但其重量却高达100磅(约45千克),这对材料的传输提出了挑战。

  金属粉末的供应商已开始以较大的散装量提供粉末材料,并将其输送到“中间散装容器(IBC)”的料斗中。对于较重的金属,也通常是需要130升的规格。在此过程中可以使用真空输送系统,在将材料输送到打印机时进行对接、定量给料,并进行称重。      

  粉末处理设备供应商现在正在开发系统,助力金属增材制造生产率的提升。很明显,在装载材料、卸载材料,筛选金属粉末,以及回收粉末环节中,优化粉末处理和控制技术,并以封闭、安全和高效的方式传输致密的金属粉末,也是促进粉末床金属增材制造技术跟上规模化零部件生产节奏的重要因素。

* 注:通常所说的冷凝水过滤和控制不是本文所涉及的金属粉末处理的一部分。