Kovine (proizvodnja in obdelava)

Proizvodnja na osnovi prahu – lasersko taljenje v praškasti postelji (L-PBF), usmerjeno nanašanje energije, brizganje veziva, brizganje kovin, stiskanje in sintranje, termično brizganje – kot tudi kataliza, shranjevanje energije in tehnična keramika so danes omejeni z vhodnimi surovinami in ne s stroji. Praški pogosto niso na voljo v zahtevani kemijski sestavi, so nagnjeni k razpokam ali niso varljivi, nepravilne oblike, slabo tečejo ali so dragi, ker so odvisni od kritičnih ali dragocenih surovin. Reciklirani, nestandardni in mehansko proizvedeni prahovi so iz istih razlogov degradirani. Belgijski raziskovalni in tehnološki center je zgradil platformo za praškasti inženiring, ki neposredno deluje na dve lastnosti, ki vplivata na obnašanje prahu: kemijsko sestavo površine delca in morfologijo delca. Tehnologija 1 – Plazemsko PVD/PECVD nanašanje prahov (arhitekture jedro-lupina) Prahi, vlakna in majhni deli se obdelujejo v nizkotlačnem plazemskem reaktorju, opremljenem z magnetronskimi katodami in vrtečim se valjem, ki nenehno obnavlja površino delcev, izpostavljenih plazmi, kar zagotavlja homogene, konformne lupine na vsakem delcu. Kovine, zlitine, oksidi, nitridi in karbidi se lahko napršujejo; reaktivni PVD in PECVD načini dajejo keramične, ogljikove in organosilicijeve lupine, pa tudi cepljene površinske kemijske funkcije (-NH, -OH, -COOH). Debeline lupin segajo od nekaj nanometrov do submikrometrov, tj. dodatki so običajno pod 2-3 mas.%. Rezultati, ki so že bili prikazani na platformi: - Strukture jedro-lupina: bakrena lupina na 60 μm cinkovem prahu. - Dekoracija prahu: zlato na 100 μm steklenih kroglicah. - Bakrov prah, prevlečen s Ti, za L-PBF: 1,1 mas.% Ti je zmanjšalo poroznost vgrajene snovi z 23,4 % (čisti Cu) na 3,5 %. - PVD legiranje Al 7075 z elementom, ki zavira razpoke: vroče razpoke so v L-PBF zadušene, fina mikrostruktura, brez sprememb parametrov tiskanja, brez skandija in brez srebra – trajnostna alternativa obstoječim visokotrdnostnim vrstam aditivnega aluminija. - Kompenzacija izgube hlapnih elementov (Zn, Mg) med laserskim taljenjem z njihovim dodajanjem kot nanesene lupine namesto z mehanskim mešanjem. - Ogljikov premaz keramičnih prahov za izboljšanje pretočnosti in vnos ogljika v matrico med sintranjem. Tehnologija 2 – Induktivna plazemska sferoidizacija RF induktivno sklopljen plazemski sistem tali nepravilne delce med letom; površinska napetost sferoidizira kapljice, ki se nato ohladijo in zberejo. Neenakomeren vhodni material, ki nastane z mletjem, atomizacijo vode ali plina, kemično redukcijo (gobasta pot) ali sušenjem z razprševanjem – kovine, zlitine in keramika – se pretvori v gost, sferičen prah brez satelitov z izboljšano pretočnostjo, večjo gostoto pakiranja in sesanja ter boljšo ponovno uporabnostjo pri aditivnem in termičnem razprševanju. Ker se delci staljijo v nadzorovani plazemski atmosferi, se lahko kemija prahu spremeni tudi v istem koraku – oksidacija, redukcija, nitriranje ali cementacija – tako da se korekcija oblike in kemijsko kondicioniranje dosežeta v enem samem prehodu. Ta pot tudi zgosti porozne delce in se lahko uporabi za ponovno vključitev recikliranega materiala v kvalificiran tok prahu. Titan se uporablja kot notranji referenčni material. Postopka se dopolnjujeta in ju je mogoče verižiti: sferoidizacija najprej obnovi morfologijo nepravilnega ali recikliranega prahu, nato pa plazemski PVD/PECVD doda funkcionalno lupino (legirni element, zaviralec razpok, difuzijska pregrada, katalitična faza, ogljikova ali organska funkcionalnost). To omogoča dostop do vrst prahu, ki niso komercialno dostopne, iz surovin, ki bi jih sicer zavrgli. Prednosti in inovacije: Dve dopolnjujoči se vzvodi na eni platformi: kemija površine delcev (PVD/PECVD) in morfologija delcev (sferoidizacija) namesto ene same rešitve. Legiranje z jedrom in lupino namesto mešanja prahu: legirni element se nanese na vsak delček kot nanometrska lupina, kar zagotavlja homogeno porazdelitev brez segregacije in brez tveganja razpadanja med ravnanjem ali ponovnim nanašanjem premaza. Zelo majhni dodatki z velikim učinkom: zaviranje razpok in nadzor poroznosti, dokazani z dodatki v območju 0,18–1,8 mas. %. Zmanjšana odvisnost od kritičnih in dragocenih surovin: visokotrdni AM aluminij brez skandija in brez srebra. Obstoječe vrste zlitin je mogoče nadgraditi namesto zamenjati – v primeru Al 7075 brez spreminjanja procesnih parametrov L-PBF, kar preprečuje ponovno kvalifikacijo. Krožno gospodarstvo: nevarljivi, nespecifični, reciklirani ali mehansko proizvedeni prahovi so lahko ponovno natisljivi, kar zmanjšuje odvisnost od uvoženega plinsko atomiziranega prahu. Sferoidizacija ni le korekcija oblike: v istem prehodu lahko plazemska atmosfera oksidira, reducira, nitrira ali naogljiči prah, pri čemer združuje morfologijo in kemijsko kondicioniranje v eni operaciji. Suhi vakuumski postopki brez topil: brez mokre kemije, brez tekočih odpadnih voda, brez ostankov površinsko aktivnih snovi na površini delcev. Zelo širok nabor materialov: kovine, zlitine, oksidi, nitridi, karbidi, stekleni in keramični delci ter vlakna in majhni razsuti deli v istem reaktorju za premaze. Podprto z lastno analizo površin in karakterizacijo materialov, tako da se učinek obdelave meri, ne predvideva. Neodvisen, zaupen in objektiven položaj RTO, z jasno potjo od laboratorija do pilotnega projekta in upravičenostjo do javnega sofinanciranja. Iskana tehnična specifikacija ali strokovno znanje Razvojni pristop: Nobena od poti ni kataloška storitev: vsak prah zahteva svoj nabor parametrov (kemija plazme, moč, tlak, čas zadrževanja, kinematika soda, nosilni plin, hitrost dovajanja, toplotni proračun). Center sodeluje s partnerjem od preizkusa izvedljivosti na nekaj sto grami, preko optimizacije parametrov in popolne fizikalno-kemijske karakterizacije, do reprezentativnih pilotnih serij in opredelitve poti industrijskega povečanja. Delo poteka zaupno; kot odobreni raziskovalni center organizacija svojim industrijskim strankam omogoča dostop do regionalnih in evropskih shem financiranja. Obe tehnologiji sta na ravni TRL 5-6: validirani in demonstrirani v ustreznem okolju na resničnih surovinah in v resničnih končnih aplikacijah, pripravljeni za demonstracijo na prahu partnerja. Enota za prašno lakiranje s plazma PVD / PECVD: Nizkotlačni vakuumski reaktor, osnovni tlak pod 1,3 × 10⁻⁶ mbar, vodno hlajen, popolnoma avtomatizirano krmiljenje. Dve magnetronski katodi za razprševanje; vrteči se sod za nenehno obnavljanje obdelane površine. Prostornina serije do 5 litrov prahu na serijo. Velikost delcev/predmeta od nekaj mikrometrov do nekaj centimetrov; tudi vlakna in majhni ohlapni deli. Procesni plini in predhodniki: Ar, He, N₂, O₂, ogljikovodiki, silicijevi predhodniki in mešanice – kar omogoča kovinske, oksidne, nitridne, karbidne, ogljikove in organosilicijeve lupine ter cepljene -NH, -OH, -COOH funkcije. Tipična lupina: nekaj nm do manj kot μm, tj. pod ~2-3 mas. % dodane mase. Dopolnilni dostop do laboratorijske in polindustrijske opreme PVD/PECVD za ravne in 3D substrate. Enota za induktivno plazemsko sferoidizacijo: RF sistem za induktivno sklopljeno plazemsko sferoidizacijo, raziskave in razvoj / pilotna proizvodnja v majhnih serijah. Pretočnost reda 0,5 kg/h; hitra menjava med materiali. Tipična velikost delcev: 5–300 μm; kovine, čiste kovine, zlitine in keramika. Sprejema surovine iz mletja, atomizacije z vodo in plinom, kemične redukcije (goba) in sušenja z razprševanjem. Modifikacija kemije prahu med letom v istem koraku: oksidacija, redukcija, nitriranje in cementacija. Izhod: skoraj sferični, brez satelitov, zgoščeni delci z visokim izkoristkom sferoidizacije. Karakterizacija in validacija: Morfologija in kakovost lupine: SEM/EDX, preseki, analiza slik. Površinska kemija: XPS in komplementarne tehnike površinske analize. Struktura in faze: XRD; porazdelitev velikosti delcev; navidezna, natančna in dejanska gostota; pretočnost. Validacija na ravni aplikacije: poskusi tiskanja z L-PBF, sintranje, kvantifikacija poroznosti in napak, mehansko testiranje in prilagojena toplotna obdelava. Ocena življenjskega cikla in podpora za okoljsko zasnovo sta na voljo interno. Kaj se pričakuje od partnerja: Reprezentativen vzorec praška, ki ga je treba obdelati, s specifikacijskim listom in varnostnim listom. Ciljna uporaba in merila sprejemljivosti (kemija, PSD, pretočnost, tiskanost, mehanske ali funkcionalne lastnosti). Omejitve glede stroškov, velikosti serije in industrijskih količin, da se lahko realistično oceni pot povečanja obsega. Pričakovana vloga partnerja: Ciljni profili: Proizvajalci in atomizatorji praška, ki želijo razširiti svoj portfelj vrst ali nadgraditi obstoječe vrste. Reciklerji praška in podjetja za valorizacijo kovinskih odpadkov, ki želijo materiale, ki ne ustrezajo specifikacijam, mlete ali reciklirane, spraviti nazaj v kakovost aditivne proizvodnje. Servisne pisarne za dodajalno proizvodnjo in proizvajalci originalne opreme (OEM) v letalski, vesoljski, avtomobilski, energetski, orodjarski in medicinski industriji, ki se soočajo s težavami z razpokami, poroznostjo ali pretočnostjo določene zlitine. Proizvajalci in uporabniki tehnične keramike, trdih kovin, katalizatorjev, baterij in materialov za shranjevanje energije, ki potrebujejo funkcionalizirane ali prosto tekoče delce. Proizvajalci opreme, ki jih zanima industrializacija procesne poti. Univerze in raziskovalne organizacije, ki gradijo konzorcije za evropske ali nacionalne skupne projekte. Vloga in naloge, odvisno od vrste sporazuma: Sporazum o sodelovanju na področju raziskav in razvoja: soopredelitev in soizvajanje razvojnega programa ali pridružitev/sogradnja konzorcija za skupni projekt (Horizon Europe, EUREKA/Eurostars, nacionalne in regionalne sheme), pri čemer partner prispeva surovine, industrijski primer uporabe in validacijo na ravni aplikacije. Sporazum o tehničnem sodelovanju: zagotovitev prahu in ciljne specifikacije ter sodelovanje s centrom pri preverjanju izvedljivosti, optimizaciji parametrov in pilotnih serijah, dokler obdelani prah ne izpolnjuje meril sprejemljivosti v partnerjevem lastnem procesu. Komercialni sporazum s tehnično pomočjo: naročilo obdelanih pilotnih količin prahu skupaj s tehnično podporo, potrebno za njihovo kvalifikacijo in pripravo industrijskega prenosa.