Die Particle Testing Authority bietet die Untersuchung einer breiten Palette an Schüttgut- und Partikeleigenschaften an, die die AM-Prozesse entscheidend beeinflussen können:

Partikelgröße

Eines der wichtigsten Prüfmerkmale ist die Partikelgrößenverteilung.  Sie beeinflusst die Gleichmäßigkeit der Pulverschüttdichte ebenso wie die Pulverfließfähigkeit. Dies bestimmt wiederum den Energieeintrag zum Sintern oder Binden und wirkt sich auch auf die Oberflächengüte des gefertigten Teils aus. Laserbeugung ist eine der am besten etablierten und anerkannten Analysetechniken zur Bestimmung der Partikelgröße und ihrer Verteilung.

 

Partikelform

Die Partikelform oder -morphologie beeinflusst ebenfalls die Packungs- und Strömungseigenschaften einer Pulverschüttung. Es wird erwartet, dass sich kugelförmige Partikel gleichmäßiger anordnen und verdichten als unregelmäßig geformte. Eine solche Form ist auch dafür bekannt, dass sie die Fließfähigkeit von Pulvern erleichtert und in Pulverbettsystemen gleichmäßigere Schichten bilden kann. Die Form beeinflusst darüber hinaus auch direkt die Packungsdichte des Pulverbettes und damit die scheinbare Dichte des Endproduktes. Unregelmäßig geformte Partikel gehen häufig mit einer geringeren Enddichte der Komponenten einher und können zu einer Erhöhung der Porosität führen.

Dichte

Die Reindichte ist eine inhärente Eigenschaft eines Materials, während die scheinbare Dichte die darin eingeschlossenen Hohlräume berücksichtigt. Die Kenntnis der Rein- und/oder scheinbaren Dichte eines Ausgangsmaterials gibt Aufschluss über die Pulverbettbildung und die Sinterkinetik sowie über die Porosität des Endprodukts.

Die Schüttdichte eines Pulvers wird in hohem Maße von den physikalischen Eigenschaften der Partikel, aber auch von der Menge der im Bett mitgeführten Luft beeinflusst. Die Schüttdichte kann bei der Festlegung von Materialspezifikationen wichtig sein und ergänzt andere Bewertungen der Fließfähigkeit und Bettbildung von Pulver.

Die Hülldichte basiert auf dem geometrischen Volumen einer Probe und ist für die Bewertung des Endprodukts nützlich, da sie komplizierte und unregelmäßige Volumen genau messen kann. In Kombination mit Messungen der Reindichte lässt sich die Porosität schnell und einfach bestimmen.

Porosität

In der additiven Fertigung kann die Porosität Aufschluss über die endgültige mechanische Festigkeit und Qualität des Endproduktes geben. Sie wird normalerweise kontrolliert, damit sich ihre Auswirkungen auf Materialeigenschaften, Härte und Oberflächenbeschaffenheit minimieren lassen, sie kann jedoch auch tatsächlich ein für das Endprodukt konzipierter Parameter sein.

So müssen beispielsweise künstliche Knochenimplantate an die Porosität des umgebenden Knochens angepasst werden, oder die Porosität kann einfach während des Designs festgelegt werden, damit man leichte Produkte mit der gewünschten mechanischen Festigkeit erhält.

Quecksilberintrusion ist ein bewährtes Verfahren zur Quantifizierung der Porositätseigenschaften von Pulvern und Formprodukten. Es beruht auf dem Eindringen von Quecksilber in eine poröse Struktur unter streng kontrolliertem Druck.

Die Quecksilberporosimetrie bietet nicht nur Schnelligkeit, Genauigkeit und einen großen Messbereich, sondern ermöglicht auch die Bewertung zahlreicher Eigenschaften wie z. B. Porengrößenverteilung, Gesamtporenvolumen, Gesamtporenoberfläche, mittlerer Porendurchmesser, Schütt- und Reindichte und prozentuale Porosität.

Oberflächenbereich

Die Oberfläche pro Masseneinheit eines Pulvers spielt eine wichtige Rolle. Sie gibt die Werkstoffmenge für die Reaktion mit anderen Partikel und/oder dem Umfeld an. Partikel mit rauer Oberfläche oder innerer Porosität besitzen im Allgemeinen einen höheren spezifischen Oberflächenbereich. Er ist daher ein wichtiges Hilfsmittel zur Untersuchung der Kinetik eines Sinterprozesses und der Eigenschaften des Endprodukts.

Der spezifische Oberflächenbereich eines pulverförmigen Materials lässt sich durch Gasadsorption mit Hilfe des bewährten BET-Verfahrens (Brunauer, Emmett und Teller) messen. Bei diesem Verfahren wird (in der Regel) Stickstoffgas bei kryogenen Temperaturen physisorbiert und die zur Bildung einer Monoschicht auf der Oberfläche erforderliche Menge durch Anwendung des BET-Verfahrens auf die erfassten Isothermendaten bestimmt.

Pulverfluss

Die Herstellung von Produkten aus pulverförmigen Substraten ist in der metallurgischen Industrie weit verbreitet und entwickelt sich in anderen Branchen weiter.

Unabhängig davon, ob es sich um Sintern von dicht in eine Form gepacktem Pulver oder um lokales schichtweises Schmelzen handelt, hängt der Prozess von den Fließeigenschaften und dem Schüttverhalten des Ausgangsmaterials ab. Mangelhafte Fließeigenschaften können uneinheitliche Dichte und ungleichmäßige Schichtung, Verschmutzung, Verstopfung und Ausfallzeiten verursachen – all dies führt zu geringer Produktivität und schlechter Produktqualität.

Herkömmliche Verfahren zur Fließquantifizierung wie z. B. die Messung des Schüttwinkels und des HALL-Flusses werden häufig als zu unempfindlich angesehen, um subtile Unterschiede zwischen Pulvern erkennen zu können, die die Leistung einer Maschine zur additiven Fertigung (AM) beeinträchtigen können.

Die Pulverrheologie liefert eine umfassende, mehrdimensionale Bewertung der dynamischen, Schütt- und Schereigenschaften von Rohstoffen und generiert prozessrelevante Daten zur Definition prozessfähiger Materialien und die Prozessoptimierung sowie das Lebenszyklusmanagement von Pulvern.

Umweltbeständigkeit

Bei der Lagerung und Handhabung von Rohstoffen können Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen sowie andere Umgebungsbedingungen das Verhalten bei der Verarbeitung beeinflussen. Daher ist das Verständnis der Auswirkungen solcher Veränderungen und der Umwelttoleranzen von Pulvern und Prozessen wichtig. Sie lassen sich durch die Prüfung von Pulvern bewerten, die durch programmierte Studien mit thermogravimetrischer Analyse (TGA), dynamischer Differenzkalorimetrie (DDK), dynamischer Wasserdampfsorption (DVS) oder sogar inverser Gaschromatographie kontrollierten Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsänderungen unterzogen wurden.

Oberflächentopographie

Die Oberflächentopographie ermöglicht eine visuelle und chemische Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) dient zur Untersuchung von Oberflächen und kann Mikrostrukturen wie Oberflächenhohlräume, Risse und Kantenversetzungen erkennen. REM bietet sich daher zur Analyse von Bauteilversagen an.

Mit REM lassen sich auch die in der additiven Fertigung verwendeten Rohmaterialpulver analysieren. Damit kann man beispielsweise Agglomerationen erkennen, die Oberflächenrauheit bewerten und das Verhältnis zwischen kugelförmigen und unregelmäßig geformten Partikeln quantifizieren; all dies wirkt sich auf die Fließfähigkeit eines Pulvers und die Sinterung aus.