Tło historyczne atomizacji ultradźwiękowej
Według doniesień literaturowych proces atomizacji ultradźwiękowej został po raz pierwszy opisany w 1927 roku. Jednak rozwój tej metody wytwarzania proszków metali został zapoczątkowany w 1964 r. przez prace Stamma nad atomizacją metali o temperaturze topnienia do 700°C przy użyciu częstotliwości drgań tak wysokich jak 0,8 MHz. Jednak kwestie wytrzymałości zmęczeniowej materiału sonotrody (aktywnej części wibracyjnej) stanowiły barierę, która znacznie ograniczyła stosowanie tej metody na korzyść atomizacji plazmowej lub gazowej.
Jak działa atomizacja ultradźwiękowa
Atomizacja ultradźwiękowa jest procesem typu ciecz-ciało stałe, jednak w przeciwieństwie do technik atomizacji gazu zamiast gazu o dużej prędkości, do tworzenia proszków wykorzystywane są wibracje ultradźwiękowe.
Główna zasada tej technologii opiera się na amplitudzie i zwilżalności powierzchni. Po przekroczeniu wartości progowej amplitudy drgań w warstwie cieczy zwilżonej sonotrodą występuje zjawisko powstawania stojących fal kapilarnych (Lierke i in., 1967). Dalszemu wzrostowi amplitudy towarzyszy rozerwanie sił wewnętrznych cieczy, a małe kropelki są wyrzucane ze stopu. Zjawisko to występuje w przypadku cienkiej warstwy cieczy rozprowadzonej na powierzchni sonotrody. Przy zastosowaniu grubszych warstw ciekłego materiału występuje dodatkowo efekt kawitacji, podczas którego zapadające się puste przestrzenie wyrzucają ciekły materiał z powierzchni cieczy. Rozmiar wytwarzanych cząstek zależy głównie od częstotliwości, ale także od właściwości fizycznych ciekłego materiału. Lang w 1962 r. rozwinął równanie Rayleigha ze swojej pracy z 1945 r., aby dokładniej przewidzieć rozmiar kropli wyrzucanych ze stojących fal kapilarnych (1).
Peskin et. al, 1963 kontynuowali badania na ten temat i zauważyli, że również amplituda drgań i grubość warstwy cieczy ma wpływ na wielkość kropli. Równanie wielkości kropli zostało również przewidziane (Rajan et. al. 2001) z dodatkowymi czynnikami lepkości cieczy, natężenia przepływu cieczy i amplitudy ultradźwięków (2).
Zrozumienie atomizacji ultradźwiękowej
Mówiąc najprościej, atomizacja ultradźwiękowa to proces, w którym ciecz w kontakcie z powierzchnią wibrującą z częstotliwością ultradźwiękową tworzy fale stojące, prowadzące do wyrzucania drobnych kropelek. Przykładem tego procesu są nawilżacze powietrza, w których wibracje ultradźwiękowe tworzą drobną mgiełkę wodną.
Wizualizacja za pomocą atomizacji wody
Szybkie filmy wideo (42 000 kl./s) rejestrują istotę atomizacji ultradźwiękowej przy użyciu wody dejonizowanej (DI) na sonotrodzie, kluczowym elemencie tego procesu:
- 1 wideo: Warstwa wody DI pokazująca powstawanie fal stojących w materiale pod wpływem mieszania ultradźwiękowego.
- 2 wideo: Po osiągnięciu krytycznej wartości amplitudy (specyficznej dla każdej cieczy) napięcie powierzchniowe cieczy zostaje przełamane i rozpoczyna się atomizacja. Małe kropelki cieczy są wyrzucane z fal stojących.
- 3 wideo: Dobra zwilżalność sonotrody (również specyficzna dla każdej cieczy) ma kluczowe znaczenie w procesie tworzenia odpowiedniego obszaru dla rozpylanej cieczy.
Ultradźwiękowa atomizacja metalu
Atomizacja ultradźwiękowa może być stosowana do produkcji proszków metali, zwłaszcza na małą skalę. Jednostkowe procesy produkcyjne dedykowane konkretnym wdrożeniom, czy prototypowanie realizowane obecnie z wykorzystaniem technologii druku 3D, wymagają niewielkich ilości proszku, który może być wytwarzany wyłącznie z wykorzystaniem atomizacji ultradźwiękowej. Technologia ta ma również inną istotną przewagę nad innymi metodami wytwarzania proszków stopowych. Niewielka ilość materiałów wsadowych pozwala, w warunkach laboratoryjnych, na szybką walidację składu chemicznego i struktury fazowej nowo projektowanych stopów o określonych, ściśle dedykowanych właściwościach użytkowych. Zdolność do kontrolowania rozkładu wielkości cząstek z częstotliwością pozwala na dostosowanie wytwarzanych proszków do większości technologii addytywnych, od procesów bezpośredniego osadzania energii, topienia wiązką elektronów po laserową syntezę proszków. W ten sposób atomizacja ultradźwiękowa doskonale wpisuje się w najnowsze trendy projektowania i produkcji szerokiej gamy proszków stopowych i kompozytowych do stosowania w stopniowo rozwijającej się technologii druku 3D.
Metalowy atomizer ultradźwiękowy rePOWDER firmy AMAZEMET
Niewielkie rozmiary atomizerów ultradźwiękowych pozwalają na dużą swobodę w ich projektowaniu. Doskonałym tego przykładem jest rePowder – ultradźwiękowy rozpylacz i platforma do prototypowania stopów stworzona przez firmę AMAZEMET. System pozwala na recykling materiałów, części, nieudanych wydruków, próbek po testach mechanicznych, resztek proszku itp. co jest bardzo korzystne, zwłaszcza w przypadku drogich materiałów zawierających duże ilości pierwiastków ziem rzadkich.
Wykorzystując wszystkie zalety atomizacji ultradźwiękowej, rePowder koncentruje się na taniej, przyjaznej dla środowiska proszkowaniu materiałów metalicznych o dostosowanym składzie chemicznym w celu badania nowych materiałów odpowiednich do produkcji addytywnej, natryskiwania plazmowego i metalurgii proszków. Jest w stanie rozpylać prawie wszystkie układy stopowe, a dzięki wąskiemu rozkładowi wielkości cząstek prawie 80% materiału wyjściowego nadaje się do wybranego procesu. Urządzenie może być wyposażone zarówno w moduły do topienia łukowego/plazmowego, jak i indukcyjnego.
Sama jednostka do topienia łukiem/plazmą może być wyposażona w częstotliwości 20 i 40 kHz, podczas gdy jednostka 60 kHz jest opracowywana dla tego konkretnego przypadku i jest obecnie dostępna dla systemu indukcyjnego.
Wzmocnienie wytwarzania przyrostowego i badań nad materiałami
Co więcej, technologia ta została zaprojektowana nie tylko do atomizacji. Platforma rePowder może być również wykorzystywana do stopowania, homogenizacji i odlewania materiałów metalicznych o dowolnym składzie. Dzięki modułowej konstrukcji i szeregowi opracowanych podajników, surowiec może mieć dowolną postać – od drutu lub pręta po proszek, nieudane wydruki lub odpady produkcyjne, które można w ten sposób poddać recyklingowi. Współpracując z innymi urządzeniami do druku 3D z metalu, urządzenie pozwala na zamkniętą pętlę produkcyjną.
rePowder to platforma badawczo-rozwojowa do opracowywania nowych materiałów, która wykorzystuje opatentowaną technologię ultradźwiękową do tworzenia proszku klasy AM. Maszyna została zaprojektowana do stopowania, odlewania i rozpylania materiałów metalicznych w jednym urządzeniu, zaczynając od dowolnej formy materiału.
Korelacja częstotliwości i rozkładu wielkości cząstek (PSD)
Wąski rozkład wielkości cząstek w przeciwieństwie do zwykłego procesu atomizacji gazowej pozwala na wykorzystanie do 80% wytworzonego proszku do dedykowanej technologii. Częstotliwość ultradźwiękowa i amplituda, jak wspomniano wcześniej, jest głównym czynnikiem wpływającym na wytwarzany PSD proszku, a tym samym:
- 20 kHz jest najbardziej odpowiednie do topienia wiązką elektronów (EBM) i bezpośredniego osadzania energii (DED), PSD proszku wytworzonego przy tej częstotliwości ma d50 60-100 µm w zależności od rozpylanego materiału.
- 40 kHz jest najbardziej odpowiednia dla technologii Laser Powder Bed Fusion (LPBF), PSD proszku wytwarzanego z tą częstotliwością ma d50 45-60 µm w zależności od rozpylanego materiału.
- Częstotliwość 60 kHz jest najbardziej odpowiednia dla technologii Binder Jetting (BJ) i LPBF z drobniejszym PSD niż moduł 40 kHz, PSD proszku wytwarzanego z tą częstotliwością ma d50 32-38 µm dla ostatnich prób na stopach srebra przeprowadzonych przez AMAZEMET.
Wnioski
Atomizacja ultradźwiękowa, zademonstrowana przez AMAZEMET rePOWDER, stanowi znaczący postęp w materiałoznawstwie, szczególnie w produkcji drobnych proszków metali do druku 3D i innych zaawansowanych technologicznie zastosowań. Zrozumienie podstaw tej technologii, od atomizacji wody po wyrafinowane procesy związane z atomizacją metali, ma kluczowe znaczenie dla naukowców i profesjonalistów w tej dziedzinie.
Udostępnij tego posta!
