3D列印用金屬粉體材料技術

 

刊登日期:2017/9/5
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金屬3D列印-金屬3D列印服務平台

金屬3D列印設備製造商除了銷售設備外,同時搭配提供金屬材料粉末。材料種類從初期的鐵基材料、鈦合金、鈷鉻鉬合金、鋁合金等,到近期可以提供鈷基、鎳基與鐵基超合金等高溫粉末材料,以因應國防與航太產業的高溫環境需求。

目前金屬3D列印設備商原廠配製可使用的金屬粉末種類如表一所示。除此之外,部分專業的粉末製造廠商也提供各式各樣的金屬粉末供3D列印使用,如表二所示。從表一與表二當中得知,不管是3D列印設備商或是專業粉末供應商,近期推出的金屬粉末都鎖定在耐高溫的超合金粉末。

3D列印用超合金粉末需要具備下列特性:①均勻之化學組成;②超低氧含量;③可控制之粒徑尺寸與分布;④優異的粉末流動性;⑤對雷射有良好的吸收性;⑥超低碳含量(熔融金屬液表面的碳化層造成)。由於3D列印用超合金粉末要求品質相當高,因此,目前大都以惰性氣體霧化方式製作。

惰性氣體霧化技術
惰性氣體霧化的方式有許多種,但主要的關鍵乃是被霧化的介質與周遭環境間需要有一較高的相對速度(Relative Velocity),而達到使介質破裂霧化的效果。為了滿足各種不同霧化效果的需求,因此衍伸出許多相關研究。
1. 液態噴流的碎裂模式相關研究
液態噴流的碎裂模式可以分為液束的碎化(Jets Breakup)、液膜的碎化(Sheets Breakup)與液滴的碎化(Droplets Breakup)三種方式。
(3) 液滴的碎化
Simmons研究單一液滴與空氣交互作用的破裂過程,如圖三所示。液滴前端受空氣擠壓成扁平狀,隨著空氣的持續作用,逐漸變成半球殼狀,而後半球殼中心變薄,最後整個液滴破裂而霧化成更微小的液滴。

圖三、單一液滴與空氣交互作用破裂機構
圖三、單一液滴與空氣交互作用破裂機構

工研院材化所金屬粉末製程品質能力
針對耐高溫超合金粉末開發,工研院材化所於內部建立25公斤金屬粉末惰性氣體霧化試量產技術,為了提升金屬粉末製造系統之製程能力,導入%GR&R量測手法、PR&R(Ca、Cp、Cpk)製程能力分析等品質手法,並透過3DP進行驗證,品質手法執行流程如圖六所示。
1. %GR&R量測系統分析
量測過程主要取10組不同爐次合金粉末,每一組粉末各別由三位量測員隨機量測三次,10組實驗共需量測90次,進行D50粒徑量測系統驗證(設定規格D50 = 40 μm,上限規格=44 μm,下限規格=36 μm)。量測結果如表三所示,分析結果說明如下。

2. 製造系統Ca、Cp、Cpk製程能力分析
完成氣體霧化實驗與霧化參數優化後,利用PR&R進行一步驗證金屬氣體霧化製造系統試量產(Pilot Run)製程能力。執行過程係以兩組團隊分別各做5組實驗,並探討粉體D50粒徑(粉體D50粒徑規格:40 ± 4 μm)之Ca、Cp、Cpk。從表四和圖七得知,計畫執行前金屬粉末製造系統|Ca| >0.0625、Cp <1.33,透過品質手法導入後,甲和乙兩組團隊製造系統之|Ca|皆<0.0625(A等級),表示兩組製程具高準確度能力,而氣體霧化製造系統之Cp也都>1.66(A等級),表示兩組製程具高精密度能力,從Ca和Cp結果可突顯出...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖七、金屬粉末D50粒徑(a)Ca;(b)Cp;(c)Cpk製程能力指標圖
圖七、金屬粉末D50粒徑(a)Ca;(b)Cp;(c)Cpk製程能力指標圖

作者:陳溪山、楊智超 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」369期,更多資料請見下方附檔。


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