Evaluating spreadability of metallic powders for powder bed fusion processes

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