Spreadability and characterization of metal powders for additive manufacturing

Abstract

Powder Bed Fusion (PBF) is one of the Additive Manufacturing (AM) techniques, in which metal powders are used as feedstock. AM process enables the production of lightweight structures, design freedom in 3D printed parts, short cycle time, etc. AM made part properties are affected by the powder characteristics used to form the component. A part comprises hundreds of spread layers; however, a homogeneous layer is crucial for obtaining the necessary final part properties. Spreadability can be defined as a method to quantify the powder distribution through the layer. Although it has not been standardized yet, currently, it is merely controlled by following the powder flowability, a standardized characterization method for AM. This thesis investigates the spreadability of the utilized powders for AM (here only Laser-Powder Bed Fusion will be used), with the image processing algorithms in MATLAB. Besides, it also aims to examine the spreadability correlation with the other characteristics such as flow rate, apparent density, angle of repose, and thus the final 3D printed components. Samples in six different particle size distribution were characterized, and spreadability tests were performed with the L-PBF machine. The powder characterization results demonstrated that an increase in fine particle ratio by volume (below 20 µm) enhances the angle of repose (AOR). The tests demonstrated that irregularities on the spread layer could be quantified with the image processing algorithms. The 3D printed samples were found porous. The reason for porosity in the sample might base on a combination of various factors, poor spreadability, spatter formation, and other L-PBF processing parameters might be the reasons for such microstructural development.

Toz Yatak Füzyon Birleştirme (PBF), hammadde olarak metal tozlarının kullanıldığı Eklemeli/Katmanlı İmalat (AM) tekniklerinden biridir. Eklemeli imalat prosesi, hafif yapıların üretimini, üç boyutlu üretilen parçalarda tasarım özgünlüğünü, kısa çevrim süresini, vb. sağlar. Eklemeli imalat ile üretilen parçanın özellikleri, parçayı oluşturmak için kullanılan toz özelliklerinden etkilenmektedir. Bir parça yüzlerce serilen katmandan oluşur; ancak, gerekli nihai parça özelliklerini elde etmek için katmanın homojenliği çok önemlidir. Serilebilirlik, katman boyunca toz dağılımını ölçmek için kullanılan bir yöntem olarak tanımlanabilir. Henüz standartlaştırılmamış olmasına rağmen, günümüzde serilebilirlik, eklemeli imalat için standartlaştırılmış bir karakterizasyon yöntemi olan toz akışkanlığını takiben kısmen kontrol edilmektedir. Bu tez, eklemeli imalat için değerlendirilen tozların (burada sadece Lazer-Toz Yatak Füzyon Birleştirme kullanılacaktır) MATLAB' deki görüntü işleme algoritmaları ile serilebilirliğini araştırmaktadır. Buna ek olarak akış hızı, sıkıştırılmış yoğunluk, yığılma açısı gibi diğer özelliklerle serilebilirlilik korelasyonunu ve dolayısıyla son üç boyutlu üretilmiş parçaları incelemeyi amaçlamaktadır. Altı farklı tane dağılımındaki toz numuneler karakterize edildi ve L-PBF makinesi tarafından serilebilirlik testleri yapıldı. Toz karakterizasyon sonuçları, hacimce ince tanecik oranındaki artışın (20 µm' nin altında), yığılma açısını (AOR) arttırdığını gösterdi. Testler ayrıca, serilen katmandaki düzensizliklerin görüntü işleme algoritmalarıyla ölçülebileceğini gösterdi. 3 boyutlu olarak üretilen numuneler gözenekli bulundu. Numunelerdeki porozitenin nedeni çeşitli faktörlerin bir kombinasyonuna dayanabilir; zayıf serilebilirlik, saçılma oluşumu ve diğer L-PBF işleme parametreleri, bu tür mikroyapısal gelişimin nedenleri olabilir.