bedrijfsnieuws over Onderzoek toont de rol van inerte gassen in de kwaliteit van additieve productie

In de microscopische wereld van additieve fabricage dansen metaalpoederdeeltjes een ingewikkelde dans onder de precieze geleiding van laserstralen, waarbij ze geleidelijk aan driedimensionale structuren vormen. Atmosferische gassen zoals zuurstof en kooldioxide loeren echter als ongewenste indringers, die in staat zijn dit delicate ballet te verstoren en de prestaties van de uiteindelijke metalen componenten in gevaar te brengen. Om de zuiverheid en stabiliteit van het additieve fabricageproces te waarborgen, is inert-atmosfeergeneratietechnologie naar voren gekomen als een essentiële bescherming voor de productie van metalen onderdelen.

Een inerte atmosfeer, zoals de naam al aangeeft, verwijst naar een chemisch inactieve gasomgeving. In additieve fabricage - met name poederbedfusie (PBF) processen - speelt deze beschermende atmosfeer een cruciale rol. Bij verhoogde temperaturen reageren metaalpoeders gemakkelijk met reactieve atmosferische gassen (waaronder zuurstof, stikstof, kooldioxide en waterdamp), wat leidt tot verschillende nadelige effecten:

• Oxidatie en Nitrering: Oppervlaktereacties vormen oxiden of nitriden die de chemische samenstelling en microstructuur van het materiaal veranderen, waardoor de mechanische eigenschappen, corrosiebestendigheid en vermoeiingssterkte worden aangetast.
• Porievorming: Reactiebijproducten kunnen gevangen raken in het smeltbad, waardoor holtes ontstaan die de dichtheid en structurele integriteit van het onderdeel verminderen.
• Instabiliteit van het Smeltbad: Reactieve gassen beïnvloeden de oppervlaktespanning en vloeistofdynamica binnen het smeltbad, waardoor de geometrische nauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit in gevaar komen.
• Elementuitputting: Vluchtige legeringselementen (zoals aluminium en magnesium) kunnen verdampen bij hoge temperaturen, wat leidt tot afwijkingen in de samenstelling ten opzichte van de ontwerp specificaties.

Bijgevolg is het creëren van een inerte atmosfeer die reactieve gassen isoleert, essentieel voor het waarborgen van de kwaliteit en prestaties van additief gefabriceerde componenten.

De twee belangrijkste inerte gassen die worden gebruikt in additieve fabricage zijn argon (Ar) en stikstof (N₂). De keuze tussen hen hangt af van de materiaalreactiviteit, kostenoverwegingen en apparatuurvereisten.

• Argon: Als een monatomisch edelgas met uitzonderlijke chemische stabiliteit, neemt argon zelden deel aan chemische reacties. Als het op twee na meest voorkomende atmosferische gas, biedt het een brede beschikbaarheid tegen relatief lage kosten. Deze kenmerken maken argon de voorkeurskeuze voor de meeste additieve fabricagetoepassingen - met name voor reactieve metalen zoals titanium en aluminium, waar oxidatie- en nitreringspreventie van het grootste belang is.
• Stikstof: Hoewel stikstof enkele inerte eigenschappen vertoont, overtreft de reactiviteit ervan die van argon. Bij verhoogde temperaturen kan stikstof nog steeds reageren met bepaalde metalen om nitriden te vormen. Daarom is het gebruik van stikstof doorgaans beperkt tot zuurstof-tolerante materialen zoals roestvast staal. Het belangrijkste voordeel van stikstof is de lagere kostprijs in vergelijking met argon, hoewel dit een strengere procescontrole vereist om nitridevorming te voorkomen.

De additieve fabricagesystemen van Renishaw gebruiken gespecialiseerde inert-atmosfeergeneratietechnologie om de zuiverheid en stabiliteit van het proces te waarborgen. Deze technologie werkt via verschillende belangrijke fasen:

1. Vacuümvoorbewerking: Het systeem evacueert eerst lucht en vocht uit de bouwkamer met behulp van vacuümpompen, waardoor de zuurstof- en waterdampconcentraties aanzienlijk worden verminderd. Deze cruciale stap verwijdert verontreinigingen die zich aan poeder- en apparatuuroppervlakken hechten, waardoor de kamer wordt voorbereid voor de introductie van inert gas.
2. Argon Spoeling: Na de vacuümbehandeling overspoelt hoogzuiver argon de kamer totdat de gespecificeerde drukniveaus zijn bereikt. Met kamerinhoud van ongeveer 600 liter zijn aanzienlijke hoeveelheden argon nodig voor een volledige spoeling. Hoogzuiver argon verdringt effectief de resterende lucht om de inerte omgeving te creëren.
3. Atmosfeeronderhoud: Tijdens het bouwproces informeert continue zuurstofmonitoring over aanvullende argoninjecties om de zuiverheid van de atmosfeer te behouden. Renishaw-systemen reguleren het zuurstofgehalte onder de 1000 ppm (0,1%), waarbij niveaus van minder dan 100 ppm (0,01%) worden bereikt voor reactieve metalen zoals titanium. Deze precieze controle voorkomt metaalverontreiniging tijdens de fabricage.
4. Geoptimaliseerd Gasverbruik: Het AM250-systeem werkt met gasdebieten van minder dan 30 L/uur, waardoor de concurrerende bedrijfskosten worden gehandhaafd, ondanks het gebruik van argon. Deze economische efficiëntie maakt universele argonadoptie mogelijk voor alle materialen, waardoor compromissen die gepaard gaan met stikstofsubstitutie worden geëlimineerd en tegelijkertijd een consistente kwaliteit van de onderdelen wordt gewaarborgd.

De vacuüm-ondersteunde argonspoeling van Renishaw toont duidelijke voordelen ten opzichte van conventionele gasverplaatsingsmethoden. Vacuümvoorbewerking bereikt een grondigere verwijdering van lucht en vocht, waardoor een snellere totstandkoming van hoogzuivere inerte atmosferen mogelijk wordt. Vergelijkende studies tonen aan dat vacuüm-ondersteunde argonspoeling de beoogde zuurstofniveaus aanzienlijk sneller bereikt dan directe stikstof- of argonspoeltechnieken, waardoor de voorbereidingstijd wordt verkort en de productie-efficiëntie wordt verbeterd. Bovendien draagt vacuümvoorbewerking bij aan een lager gasverbruik, waardoor de operationele kosten verder worden verlaagd.

Effectief inert-atmosfeerbeheer gaat verder dan het eenvoudig vullen van gas en vereist een precieze regulering van meerdere parameters om de processtabiliteit en de kwaliteit van de onderdelen te waarborgen:

• Zuurstofgehalte: De primaire zuiverheidsmetriek varieert per materiaal, waarbij reactieve metalen strengere controles vereisen. Hoogprecisie zuurstofsensoren maken real-time monitoring en stroomaanpassingen mogelijk om de doelbereiken te handhaven.
• Vochtigheid: Vocht reageert met metaalpoeders, waardoor oxidatie en porositeit ontstaan. De kamervochtigheid wordt doorgaans geregeld via droogmiddelen of gasdroogsystemen.
• Gasdebiet: Het beïnvloeden van zowel de gasuitwisselingsefficiëntie als de thermische verdeling, kan een overmatige stroom poederbedden verstoren, terwijl een onvoldoende stroom er niet in slaagt verontreinigingen te verwijderen. Optimale snelheden zijn afhankelijk van de kamergeometrie en materiaaleigenschappen.
• Gasdruk: De kamerdruk beïnvloedt de processtabiliteit - overmatige drukken riskeren schade aan de apparatuur, terwijl onvoldoende drukken de smeltbaddynamiek kunnen beïnvloeden. Het handhaven van veilige operationele bereiken is essentieel.

Naarmate additieve fabricage vordert, moet de inert-atmosfeertechnologie evolueren om te voldoen aan steeds strengere eisen. Toekomstige ontwikkelingen zullen zich waarschijnlijk richten op:

• Verbeterde Zuiverheid: De vraag naar hoogwaardige materialen zal de ontwikkeling van ultra-hoogzuivere gassen met geminimaliseerde verontreinigingsniveaus stimuleren.
• Precisiecontrole: Geavanceerde sensornetwerken en besturingsalgoritmen zullen een strakkere regulering van atmosferische parameters mogelijk maken.
• Kostenreductie: Nieuwe gasgeneratie- en recyclingmethoden zullen de proceseconomie verbeteren.
• Slimme Systemen: Integratie van kunstmatige intelligentie en machine learning zal het atmosfeerbeheer optimaliseren voor verbeterde efficiëntie en kwaliteit.

Inert-atmosfeergeneratie is een onmisbare technologie in de additieve fabricage van metalen. Door continue innovatie zal deze kritische proces-enabler de uitbreiding van toepassingen in alle industriële sectoren ondersteunen.