Poudres métalliques caractérisation des particules pour les process de fabrication additive

Les technologies de fabrication additive sont de plus en plus utilisées dans la construction de machines, de moyens de transport et de nombreux autres produits. Dans la construction aéronautique, par exemple, l'impression 3D métallique ouvre de toutes nouvelles possibilités de réduction du poids et, par conséquent, de la consommation de kérosène. Des pièces qui devaient auparavant être assemblées à partir de dizaines de composants individuels peuvent désormais être fabriquées directement en une seule pièce. Les progrès réalisés dans le développement de la fabrication additive permettent de produire de plus en plus de pièces en grandes quantités par impression 3D.  Les poudres métalliques utilisées pour la fabrication additive doivent répondre aux normes de qualité les plus élevées : La distribution de la taille des particules doit être étroite et doit être connue aussi précisément que possible afin de contrôler le comportement du matériau pendant le processus de frittage. Les analyseurs de particules MICROTRAC sont parfaitement adaptés à la détermination de la distribution granulométrique des poudres métalliques utilisées dans les processus de fabrication additive. Ce qui suit est une introduction aux technologies de mesure appropriées, aux considérations générales ainsi qu'à différents exemples de caractérisation des particules de poudres métalliques.

Poudres métalliques et fabrication additive Diffraction laser combinée à l'analyse d'images

La diffraction laser est la méthode standard pour déterminer la distribution de la taille des particules dans de nombreuses industries. Cette technique permet également d'analyser les particules dans un flux d'air ou en suspension dans un liquide. La méthode de mesure repose sur le principe selon lequel la lumière laser est diffractée ou diffusée à différents angles par des particules de différentes tailles. Le calcul de la distribution des tailles est basé sur l'analyse des modèles de lumière diffusée. La force de cette méthode de mesure réside dans sa grande flexibilité, sa facilité d'utilisation et la plage de mesure extrêmement large de 10 nm à 4 mm. Cependant, la diffraction laser ne permet pas de déterminer la forme des particules. C'est pourquoi Microtrac a équipé son analyseur de diffraction laser SYNC d'un module de caméra supplémentaire basé sur le principe de l'analyse d'image dynamique. Ce module utilise la même cellule de mesure et le même système de dispersion que pour l'analyse de la lumière diffusée.

Exemple Particules de grande taille

Many production processes, including additive manufacturing, are sensitive to small quantities of large particles (oversize). In metal powders, for example, these large particles can lead to cavities or weak points in the end product.

Simply determining the average or mean particle size is not enough to predict manufacturing performance. The volume of particles larger than a certain limit size must be carefully monitored. It is possible to define a specification that no more than a small fraction of the particles can be larger than a critical size.

For example, you could require that no more than 0.01% by volume of the particles are larger than 200 microns.In this measurement example, a sample of metal powder with different amounts of impurities (oversize particles) was gravimetrically prepared and the resulting size distributions were measured to illustrate how the high-speed dual camera system of the CAMSIZER X2 can be used to find small amounts of impurities with large particles 

A metal powder sample was first sieved through a 200 μm test sieve to ensure the removal of large contaminants. This screened powder was then weighed and a small amount of large particles was added in a controlled manner. This resulted in a series of samples with known amounts of impurities. Concentrations were 0.005%, 0.01%, 0.02%, 0.05%, 0.1%, 0.2% and 1% (mass % each). The sample quantities for analysis were approximately 35-40 grams. Fig. 9, Fig. 10, and the table show how accurately the oversize grain can be detected with the CAMSIZER. 

In Laser Diffraction, it is assumed that under favorable conditions oversized particles can be detected if the percentage is >2 % by volume. Laser diffraction evaluates a signal generated by all particles simultaneously. This is therefore referred to as a collective measurement method, as opposed to an individual particle measurement method such as image analysis in which each particle detected generates a measurement value. In laser diffraction, if the proportion of a certain fraction is too small, the contribution of these particles to the total scattered light signal is also too small to be distinguishable from background noise. This situation cannot be compensated for by measuring larger sample quantities.

The combination of image analysis and laser diffraction improves the detection probability of impurities, but the performance here does not come close to that of a specialized dynamic image analyzer like the CAMSIZER X2. This is mainly due to the image acquisition rate of the CAMSIZER X2 which is 14 times higher. The dispersing system, sample feed and instrument setup of the SYNC are optimized to generate high quality scattered light data in a short time with the additional possibility of image acquisition. The entire hardware of the CAMSIZER X2, i.e. dispersion, sample feed, light sources and cameras, is optimized to acquire and evaluate many images in a short time. The number of particles evaluated, as well as the total amount of sample material used is considerably larger with the CAMSIZER X2.

Nevertheless, the SYNC is clearly superior to other laser analyzers with regard to the detection of oversized particles thanks to the advanced image evaluation.

Exemple Satellites

Poudres métalliques et fabrication additive Method Comparison and Summary