Quel type de mélangeur minimise l'abrasion pour les poudres métalliques et évite une contamination du produit par des particules étrangères ?
Pour les poudres métalliques, il n'existe pas un type de mélangeur unique qui minimise automatiquement l'abrasion et l'introduction de particules étrangères dans toutes les conditions. La solution la mieux adaptée est en règle générale un mélangeur discontinu convectif à faible vitesse, doté d'outils de grande surface, d'une faible vitesse relative et d'une conduite de procédé entièrement fermée, apte à l'inertage et facile à nettoyer. Ce qui est déterminant n'est pas tant le nom du type d'appareil que la conception rigoureuse de tous les composants en contact avec le produit, de la périphérie et de l'ensemble de la manutention, adaptée à la poudre métallique concrète.
Principes de mélange adaptés
Pour les poudres métalliques sèches, abrasives ou sensibles à l'oxydation, les mélangeurs coniques ou verticaux à un arbre, équipés d'outils hélicoïdaux ou à ruban vissé fonctionnant à faible vitesse, sont souvent avantageux. Ils génèrent principalement un brassage convectif du produit : la poudre est transportée de façon contrôlée puis retournée, sans que des vitesses de choc élevées, des zones de broyage intensives ou des contacts d'outil fortement cisaillants soient nécessairement requis. Des mélangeurs à deux arbres fonctionnant à faible vitesse peuvent également convenir, si un brassage tridimensionnel intensif ou l'incorporation d'additifs est nécessaire. Pour les poudres hautement abrasives, il faut toutefois toujours vérifier si les recouvrements d'outils supplémentaires et les jeux plus réduits augmentent l'usure.
Moins adaptés sont les concepts de mélange qui génèrent délibérément des vitesses relatives élevées, une forte sollicitation par choc, des zones de projection marquées ou des jeux de cisaillement très étroits. En font partie par exemple les mélangeurs intensifs à haut cisaillement, à lit fluidisé ou à projection, dans la mesure où leur forte sollicitation mécanique n'est pas expressément requise pour une désagglomération nécessaire. Pour les mélangeurs à chute libre également, la situation n'est pas systématiquement meilleure : ils peuvent certes fonctionner de façon très ménageante, mais ne conviennent souvent que de façon limitée aux poudres métalliques cohésives, agglomérées ou fortement différenciées, et peuvent favoriser une ségrégation en cas de caractéristiques de particules défavorables.
L'abrasion à la source
L'abrasion résulte avant tout de mouvements relatifs à grande vitesse et de la pression de contact entre particules, outils, paroi de la cuve, armatures d'évacuation et composants de transport. La règle de conception centrale est donc : autant d'énergie de mouvement que nécessaire, mais aussi peu que possible. Des vitesses de rotation d'outil faibles, de grandes sections d'écoulement, des rayons de renvoi larges, de faibles hauteurs de chute et un transport de matière contrôlé réduisent la sollicitation de la poudre et de l'installation.
La géométrie de l'outil devrait permettre un brassage complet du produit sans presser la poudre contre la paroi ni la compacter dans des zones de broyage locales. Les distances entre paroi et outil doivent être choisies comme un compromis : des jeux trop grands entraînent des zones de bord mal mélangées et une accumulation de produit, des jeux trop petits peuvent broyer les particules et générer de l'abrasion à partir des surfaces métalliques. Pour les mélanges abrasifs, une armature d'évacuation optimisée pour l'usure ainsi que les conduites d'évacuation et de transport sont tout aussi importantes que la chambre de mélange elle-même. Pour les systèmes abrasifs, des vitesses de rotation faibles et des traitements de surface adaptés sont explicitement cités comme mesures essentielles pour réduire l'usure.
Matériaux et construction
Les surfaces en contact avec le produit doivent non seulement être dures et résistantes à l'usure, mais aussi compatibles avec l'objectif de pureté de la poudre métallique. Des aciers inoxydables trempés, des alliages adaptés à haute dureté, le carbure de tungstène ou des céramiques techniques peuvent réduire l'usure. Chaque option de matériau doit toutefois être examinée quant aux éléments ou particules qu'elle pourrait introduire dans le produit en cas d'usure. Un composant en carbure de tungstène peut par exemple être très résistant à l'usure, mais introduire, pour des chimies de poudre critiques, des proportions indésirables de tungstène, de cobalt ou de nickel. Les revêtements ou garnissages céramiques doivent également être vérifiés quant à l'adhérence, à la formation de fissures, à l'abrasivité, à la résistance chimique et aux écaillages possibles.
Sont pertinentes des surfaces intérieures lisses, soudées avec peu de joints et retravaillées, de grands rayons de transition, de faibles ruptures de section ainsi que des interstices et angles facilement accessibles et entièrement nettoyables. Les liaisons vissées, filetages ouverts, points de palier en contact avec le produit, joints non protégés et contacts métalliques susceptibles de s'user devraient autant que possible se trouver en dehors de la zone de produit. Un arbre de mélange monté en partie haute peut offrir des avantages à cet égard, car aucun passage d'arbre inférieur ni point de palier en contact avec le produit dans le fond de la cuve n'est nécessaire. Les pièces d'usure devraient être conçues de sorte à pouvoir être inspectées, identifiées de façon univoque et remplacées de manière préventive, avant qu'elles ne libèrent des particules métalliques étrangères.
Manutention fermée
Les particules étrangères ne proviennent pas uniquement du mélangeur. Elles peuvent être introduites par les matières premières, l'air de transport, les conteneurs, les filtres, les joints, les outils, les opérations de maintenance ou l'environnement de production. Le système devrait donc être conçu de façon aussi fermée que possible, de la réception des matières premières jusqu'au contenant final. Des stations d'accostage étanches à la poussière, des transferts de conteneurs fermés, un tamisage approprié et, le cas échéant, des séparateurs magnétiques aident à limiter l'introduction de particules étrangères. Les séparateurs magnétiques ne captent toutefois que les métaux étrangers magnétisables et ne remplacent pas un évitement rigoureux des contaminants non magnétiques.
Pour les poudres métalliques réactives comme l'aluminium, le titane, le magnésium ou d'autres matériaux facilement oxydables ou susceptibles d'explosion de poussière, l'inertage à l'azote ou à l'argon peut être nécessaire. Il protège contre l'oxydation et réduit en même temps le risque d'incendie et d'explosion, mais doit faire partie d'un concept complet de protection contre les explosions et de sécurité. Les poudres métalliques devraient être traitées en permanence à la terre ; en cas d'énergie minimale d'inflammation très basse, l'évacuation de l'oxygène par gaz inerte peut être une mesure de protection centrale. Un inertage approprié exige une surveillance de la concentration en oxygène, une étanchéité adéquate, des procédures d'exploitation sûres et une évaluation des risques.
L'humidité et l'introduction d'oxygène peuvent également nuire à la qualité des poudres métalliques sensibles. Le contact avec l'air ambiant devrait être minimisé notamment pendant le transvasement, le tamisage, le mélange et le stockage. Pour les composants en titane destinés au procédé de fusion sur lit de poudre, il est par exemple recommandé de tamiser et de mélanger dans un environnement inerte et à humidité régulée.
Vérification et maintenance
Le choix du type de mélangeur doit être sécurisé par des essais avec la poudre d'origine. Avant et après l'essai de mélange, il convient d'examiner au minimum la distribution granulométrique, la forme des particules, le comportement d'écoulement, la teneur en oxygène et en humidité ainsi que les éléments métalliques étrangers pertinents. Pour la détermination des contaminations élémentaires, conviennent, selon le matériau, entre autres la spectrométrie d'émission optique à étincelle, la XRF, l'ICP-OES ou l'ICP-MS. Pour les particules étrangères isolées, des analyses MEB/EDS automatisées, des méthodes d'imagerie et, le cas échéant, une séparation par densité sont pertinentes. Pour les applications critiques, de telles méthodes peuvent saisir le nombre, la taille, la forme et la composition des contaminants.
Un concept de maintenance fondé sur le risque est important. Les outils critiques sur le plan de l'usure, les armatures d'évacuation, les coudes de tuyauterie, les joints, les tamis et les filtres devraient être contrôlés à intervalles définis et remplacés avant d'atteindre des limites d'usure critiques. Des outils, dispositifs de nettoyage, conteneurs et trajets de transfert spécifiques au matériau et clairement identifiés sont en outre nécessaires pour éviter une contamination croisée entre différents alliages métalliques. La contamination des poudres métalliques peut survenir non seulement dans le mélangeur, mais aussi par le traitement antérieur d'autres matériaux dans la même installation.
Ainsi amixon® minimise l'abrasion et la contamination métallique pour les poudres abrasives
Pour les poudres métalliques, céramiques, minérales ou autres poudres fortement abrasives, amixon® minimise l'abrasion et la contamination par particules étrangères grâce à une cinématique de mélange à faible vitesse, des surfaces en contact avec le produit entièrement revêtues de céramique, une construction pauvre en contamination et une validation liée au produit. En particulier pour les produits qui ne tolèrent aucune abrasion métallique, amixon® peut revêtir l'ensemble des pièces en contact avec le produit d'une céramique oxyde haute performance adaptée. En font partie la chambre de mélange, les outils de mélange, l'arbre, les armatures d'évacuation et d'autres éléments internes en contact avec le produit. Le contact métallique direct entre le produit à mélanger et les surfaces de l'appareil est ainsi éliminé. amixon® indique, pour des installations conçues en conséquence, que l'abrasion métallique pendant le mélange, la réaction ou le séchage est exclue.
Minimiser l'abrasion à la source
L'abrasion apparaît avant tout aux points de contact à vitesse relative élevée et forte pression de surface : entre les particules de produit, les outils de mélange, la paroi de la cuve, les armatures d'évacuation et les points de transfert. Les mélangeurs amixon® travaillent donc avec des vitesses périphériques d'outil comparativement faibles, à partir d'environ 0,8 m/s. Selon la forme de l'appareil et la tâche de mélange, la plage de vitesse peut atteindre environ 3,5 m/s. La recirculation totale SinConvex® repose sur un retournement forcé tridimensionnel contrôlé. Le produit est transporté vers le haut à proximité de la paroi, s'écoule vers le bas au centre sous l'effet de la gravité, et est réintroduit de façon répétée dans la zone de mélange active.
L'effet de mélange ne naît donc pas de zones de projection, de choc ou d'écrasement fortement énergétiques. Cela réduit les sollicitations locales sur les surfaces en contact avec le produit et diminue le potentiel d'usure érosive. L'intensité de mélange nécessaire est toutefois toujours adaptée à la cohésivité, à la résistance des agglomérats, au taux de remplissage, à la recette et à l'objectif d'homogénéité. Si un mélange intensif limité dans le temps est nécessaire, son influence possible sur la forme des particules, la distribution granulométrique et la pureté doit être examinée avec le produit d'origine.
De la céramique sur toutes les surfaces de contact
amixon® dispose de différentes solutions à base de céramiques techniques et de céramiques oxydes pour les zones d'appareil critiques sur le plan de l'usure. Selon l'abrasivité, la chimie du produit à mélanger, la température, le type de nettoyage et les éléments étrangers admissibles, des revêtements céramiques par plasma, des revêtements par projection thermique à haute température ou des plaques de protection céramiques peuvent être utilisés. Dans les applications particulièrement critiques, la céramique oxyde haute résistance peut être appliquée sur toutes les pièces en contact avec le produit. Ainsi, non seulement les outils de mélange, mais aussi la chambre de mélange, l'arbre, la sortie, les armatures et d'autres surfaces de contact sont protégés contre un contact direct avec le métal du produit.
Le choix du matériau s'effectue toujours en fonction des exigences du produit. Les céramiques oxydes à base d'aluminium peuvent par exemple offrir une protection efficace contre l'usure. D'autres systèmes céramiques entrent en ligne de compte lorsque des exigences particulières existent en matière de dureté, de résistance à la température, de résistance à la corrosion ou de compatibilité chimique. Les revêtements céramiques doivent alors adhérer durablement, ne pas se fissurer ni s'écailler sous la sollicitation du procédé, et être résistants au produit, aux agents de nettoyage et aux changements de température. C'est pourquoi le prétraitement correct de la surface porteuse métallique, l'épaisseur du revêtement, le traitement de surface et le contrôle qualité font partie de la conception.
Outre les revêtements céramiques, amixon® peut mettre en œuvre, selon la tâche, des matériaux de base résistants à l'usure, des outils de mélange trempés, des rechargements durs par soudage, des garnitures en carbure de tungstène ou des éléments de protection céramiques amovibles. Ces options sont pertinentes lorsque le garnissage céramique intégral n'est pas nécessaire ou lorsque différentes zones du mélangeur sont sollicitées différemment. Pour les poudres métalliques, ce n'est toutefois pas seulement la résistance à l'usure qui est déterminante, mais avant tout la question des éléments ou particules qui pourraient parvenir dans le produit à mélanger en cas d'usure éventuelle. Un revêtement céramique oxyde intégral de toutes les surfaces en contact avec le produit est donc la solution privilégiée lorsque l'abrasion métallique doit être exclue de façon rigoureuse.
Protection constructive
Le revêtement céramique est complété par une exécution d'appareil pauvre en contamination sur le plan constructif. Les chambres de mélange en contact avec le produit peuvent être soudées et polies sans joint apparent. Les liaisons vissées, filetages ouverts et pièces métalliques amovibles sont disposés, dans la mesure du possible, en dehors de la zone de produit. Les outils de mélange montés uniquement en partie haute évitent un passage d'arbre inférieur et donc des points de palier en contact avec le produit dans la zone du fond. Cela réduit le risque qu'une usure des joints, des paliers ou du métal ne parvienne dans le produit à mélanger.
Des concepts d'appareil fermés et étanches à la poussière, avec joints OmgaSeal®, limitent en outre l'introduction de particules ambiantes, de poussières étrangères et d'humidité. Cela est particulièrement pertinent lorsque les poudres métalliques sont sensibles à l'oxydation ou lorsque différents alliages sont traités sur la même surface de production. Pour les poudres métalliques réactives ou susceptibles d'explosion de poussière, un mélangeur étanche aux gaz et apte à l'inertage peut être nécessaire. L'inertage à l'azote ou à l'argon doit alors faire partie d'un concept complet de sécurité, de protection contre les explosions et de conduite d'exploitation.
Ce n'est pas seulement le mélangeur, mais l'ensemble de la périphérie de procédé qui détermine la pureté atteignable. Les conteneurs, stations d'accostage, organes de dosage, tamis, filtres, conduites de transport, coudes de tuyauterie, vannes d'évacuation et outils de maintenance peuvent également introduire des particules étrangères. Pour les alliages métalliques critiques, les trajets de produit, pièces interchangeables, dispositifs de nettoyage et, le cas échéant, des zones entières de l'installation doivent être attribués et contrôlés en fonction du matériau. La contamination croisée entre différentes poudres métalliques constitue un risque de qualité pertinent dans la transformation en métallurgie des poudres.
Démontrer la pureté
Des garanties forfaitaires en ppm ou en ppb ne sont pas solides. L'abrasion métallique réellement atteignable dépend entre autres de la dureté, de la forme des particules, de la distribution granulométrique, du taux de remplissage, du temps de mélange, de la vitesse de l'outil, de la qualité du revêtement et de l'appariement des matériaux. amixon® détermine l'exécution d'appareil adaptée en halle d'essais avec le produit d'origine et en accord avec l'analytique de l'exploitant. Différentes installations d'essai sont disponibles à cet effet sur le site de Paderborn.
Avant et après l'essai de mélange, il convient de vérifier, outre la qualité de mélange et la distribution granulométrique, les teneurs élémentaires pertinentes ainsi que les particules étrangères. L'ICP-OES ou l'ICP-MS permettent l'analyse quantitative d'éléments critiques à l'état de traces. Le MEB/EDX, l'analyse granulométrique optique, les essais de séparation magnétique ou d'autres méthodes d'imagerie complètent l'analyse métallique globale, car des particules étrangères critiques isolées peuvent rester masquées dans une simple mesure de somme. La distribution granulométrique, la forme des particules et la pureté de la poudre métallique influencent de façon déterminante la qualité des procédés de fabrication métallurgiques des poudres ou additifs en aval.