Evaluating spreadability of metallic powders for powder bed fusion processes

• Main Author: Hari, Vignesh
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Materialvetenskap 2020
• Subjects: Additive manufacturing; spreadability; flowability; Additiv tillverkning; spridbarhet; flytbarhet; mätetal; Metallurgy and Metallic Materials; Metallurgi och metalliska material
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-283544

Additive  manufacturing  technologies  are  widely  used  in  aerospace,  space,  and  turbine industries. Parts can be manufactured directly by selectively adding materials layer-by-layer. A key aspect that is critical to the quality of the final component being manufactured is the powder characteristics. The prevailing powder characterisation techniques help in predicting the flowability of powders but do not relate to the spreading nature of the powder. To create high-quality thin layers of metal powder, it is essential to understand powder spreadability in powder bed-based additive manufacturing processes. The objective of this study was to create spreadability metrics using image analysis, mass analysis, and density analysis. A lab-scale experimental setup was constructed to replicate the powder bed-based additive manufacturing process. The impact of spreading speed and layer thickness on five different steel powders were studied using the suggested metrics. The metrics obtained powder rheometry and revolution powder analysis. The flowability parameters were compared to the spreadability analysis. Image analysis was shown to be efficient to predict the spreading nature of the powder when the processing parameters are varied. One metric, the convex hull ratio, was found to be high for  free-flowing  powders.  The  spread  area  of  free-flowing  powders  was  higher  than  the powders with poor flow properties. A mass-based analysis procedure shows that the ratio of mass deposited to the theoretical mass fluctuated in a systematic manner as a function of testing parameters  and  for  different  powders,  suggesting  that  the  mass  analysis  might  be  another potential   metric   to   assess   spreadability.   The   density-based   analysis   was   effective   in differentiating the layer density of different powders under various experimental conditions. It   is   expected   that   the   proposed   metrics   will   be   a   beginning   for  developing   further characterisation techniques. For example, the layer thickness could be studied by creating a homogenous  layer.  We  anticipate  these  metrics  to  be  used  to  develop  standardisation techniques for defining and quantifying powder spreadability, and thereby improve quality ofadditive manufacturing processes. === Additiv  tillverkning  är  teknologier  som  har  stor  uträckning  inom  flyg-,  rymd  och  turbin industrier. Delar kan bli tillverkade direkt genom att lagervis addera material på varandra. En nyckelaspekt som är kritisk till kvalitén av den slutgiltiga komponenten är egenskaperna hos pulvret. De allmänna teknikerna för pulverkarakterisering hjälper till att förutspå flytförmågan hos pulver men relaterar ej till dess spridningsförmåga. För att kunna skapa högkvalitativa skikt av  metallpulver  är  det  nödvändigt  att  förstå  pulvrets  spridningsförmåga  inom  pulverbädds baserade additiva tillverkningsprocesser. Målet  med denna studie var  att skapa ett mått för spridningsförmågan  genom  bild-  och  massanalys.  Ett  experimentellt  upplägg  i  labbskala konstruerades för att efterlikna en pulverbädds baserad additiv tillverkningsprocess. Effekten av bladets hastighet och lagrets tjocklek på fem olika pulver studerades genom användandet av de  föreslagna  mätetalen.  De  framtagna  mätetalen  jämfördes  sedan  med  existerande  pulver karakteriseringsmetoder  såsom  FT-4  Rheometer  och  pulver  analys  med  hjälp  av  roterande trumma. Slutligen så jämförs flytbarhets parametrarna med spridbarhets mätetalen. Det visar sig att bildanalysen är tillräckligt bra på att förutspå spridningsförmågan hos pulvret när  processparametrarna  låtes  vara  varierande.  Mer  specifikt  så  var  förhållandet  mellan pulvrets yta och det konvexa höljet stort för pulver som visar bra spridning. De framtagna procent  värden  från  massanalysdiagrammen  fluktuerar  vid  olika  processparametrar  hos  de olika  pulvren,  vilket  kan  betyda  att  massanalys  kan  vara  ett  potentiellt  sätt  för  att  mätta spridningsförmågan hos pulver. Det är förväntat att dessa föreslagna mätetal kommer vara början för utveckling av ytterligare karakteriseringstekniker. Till exempel, för att studera densiteten och tjockleken hos ett lager skulle man kunna skapa homogena lager. Vi förutser att dessa mätetal kommer att bli använda för att skapa standardiseringstekniker för att definiera och kvantifiera spridningsförmågan hos ett pulver och genom detta förbättra kvaliteten av den additiva tillverkningsprocessen.