Willari: バッチ金属 3D プリント用粉末グレーディング装置の設計

1. 粉末の分類要件<br /> 以前の記事でも述べたように、現段階では金属3Dプリントは大型設備の開発が完了しており、多くの印刷サービスプロバイダーがバッチで大型設備を導入し始めており、それに応じた単一バッチ粉末の需要は従来の3〜5倍に増加しています。大容量の粉砕設備を使用する一方で、生成された粉末を安定的かつ効率的に分級することも必要です。
△振動スクリーン
2. 一括グレーディングの難しさ<br /> 金属粉末の分級には、一般的にスクリーン分級と気流分級の 2 つの方法が使用されます。粉末マトリックス、粒度分布、粉末の球形度などに応じて、異なる方法が選択されます。

（１）スクリーングレーディング<br /> スクリーンは、編み込まれたワイヤーまたは打ち抜かれた金属板で作られたメッシュ構造で、固定された開口部を通して異なる粒子サイズの粉末を分離することができます。しかし、静止した粉体はふるいの穴に詰まりやすいため、連続ふるい分けを実現するためには、振り子、超音波、傾斜振動、回転振動、タッピングなどを利用して粉体を動かす必要があります。
△ふるいの顕微鏡写真
3Dプリントの粉末のほとんどは50μm以下で、細い金属線で編んだスクリーンしか使用できません。線が非常に細く、水平方向と垂直方向の線の交差点を固定できないため、スクリーンの開口部のサイズを正確に制御することが困難です。現在の国家標準では、270メッシュ（53μm）のスクリーンの許容誤差は最大30％であり、実際の使用中に変形が大きくなります。そのため、スクリーンのグレーディング効率は80％に達することが難しく、同じ設備とプロセスでの粉末グレーディングの結果には大きな誤差が生じます。粉末の粒度分布に対する要求が非常に厳しいプロセスである3Dプリントの場合、スクリーングレーディングを使用すると、常に手直しと調整が必要になることがよくあります。

（２）気流分類気流分級は、高速気流を利用して粉体を飛翔させ、分級機内の気流速度や方向を変化させることで、微粉は気流に乗って移動し続け、粗粉は沈降します。
△気流分級の写真理論上、気流分級はどんな大きさの粒子でも非常に高い精度で分級することができます。しかし、実際には、3Dプリント粉末は完全な球形にはならず、特にVIGAプロセスで生成された粉末には、必ず中空ボール、結合粉末、フレーク粉末などが含まれます。これらの特殊粉末の実際のサイズは、粗粉末と微粉末の間の設計された境界を超えていますが、それでも空気の流れに従って微粉末に入ります。したがって、粉末の球形度が悪く、中空の割合が高いほど、空気流分類の効果は悪くなります。

同時に、チタン合金やアルミニウム合金などのより活性な金属の場合は、不活性ガスを循環させる気流分級装置が必要となり、使用コストが大幅に増加します。

（３）バッチグレーディングの安定性<br /> スクリーン分級でも気流分級でも、大規模連続分級では粉体粒度分布の変動は大きくなり続けます。
ふるいを使用する場合、一般的に超音波振動を加える必要があり、これによりメッシュが連続的に変化し、変化のプロセスを監視することは基本的に不可能です。特にステンレス製のスクリーンワイヤーを使用する場合、メッシュサイズの変化は不可逆的であることが多く、新しいスクリーンを交換した後、スクリーンとフレーム間の張力が異なるため、標準粉末を使用して実際の開口部を校正する必要があります。

気流分級を使用する場合、装置の後端にバッグ集塵機が設置されます。連続使用中に、内部と外部の圧力差により、吹き飛ばせない微粉の層がバッグの表面に付着します。この部分の粉は、バッグの実際の濾過面積を減らし、ガス流束を減らし、前端の粗粉と微粉の粒度境界を変えます。空気吸入量や分級頻度などのパラメータを頻繁に調整する必要があります。

（４）粉末バッチング異なるバッチからの粉末をバッチ処理することは、粉末の安定性を向上させるための重要なステップです。従来の混合設備は、1トン以内の粉末に対しては良好な結果を達成できます。しかし、混合粉末の量が1トンを超えると、混合設備の真空パイプライン、内部流路などの構造、特に内部流路の設計難易度が大幅に増加します。ハイエンド設計により、混合時間を50％以上短縮し、生産サイクルを大幅に短縮できます。

3. まとめ バッチグレーディング中、粉末の粒度分布の安定性は大幅に低下します。即時調整のための対応するプロセスと設備がない場合、粉末の一貫性は非常に悪くなり、印刷プロセスの不確実性が大幅に増加し、印刷された部品の全体的なパフォーマンスが低下します。

江蘇省ウェラリ新材料科技有限公司は、処理能力200kg/hで連続稼働できる統合グレーディング生産ラインを独自に開発しました。この設備は30時間連続稼働した後も、粉末粒子サイズの変動は3%以内に維持され、粒子サイズの一貫性の要件を完全に満たすことができます。

粉末生産能力が継続的に向上するにつれて、グレーディング機器の信頼性、安定性、精度が必然的に粉末の品質に影響を与える重要な要素になります。

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