분말층
분말층은 용기 내부나 표면 위에 고여 있거나 움직이는 분말 입자의 집합체입니다. 이는 중력의 영향으로 입자들이 뭉쳐 쌓이면서 형성됩니다. 분말층은 주변 환경과 개방된 상태로 운영되거나, 예를 들어 불활성화 처리된 것처럼 기밀이 유지된 상태로 운영될 수 있습니다. 이는 대기압, 과압 또는 진공 상태에서 작동할 수 있습니다.
이때 입자들은 정의된 다공성을 가진 다공성 매질을 형성합니다. 기공을 통해 가스가 흐를 수 있습니다. 이를 통해 열이 전달될 수 있습니다. 또한 물질 교환이 일어날 수 있습니다.
ε = V기공/ V전체
- V공극은 입자 사이의 부피입니다
- V총은 분말층의 총 부피입니다
- ε는 다공도(공극률, 무차원)입니다
분말층에서는 다양한 공정 공정을 수행할 수 있습니다. 여기에는 예를 들어 혼합, 건조, 가열, 냉각, 반응, 응집 또는 소성 등이 포함됩니다. 중요한 점은 입자를 유동성 있는 벌크 재료로 간주할 수 있다는 것이다.
공정 설비 내의 분말층은 매우 다양한 형태로 존재한다. 예를 들어 유동층 장치, 회전로, 공압 혼합 방식의 사일로, 기계식 분말 혼합기, 진공 혼합 건조기 및 코팅 설비 등이 있다. 적층 제조 공정(분말 베드 융합)의 경우, 분말 베드는 예를 들어 극도로 균일한 상태를 유지해야 한다.
유동층에서는 가스 흐름에 의해 분말 베드가 아래쪽에서부터 유동화된다. 그러면 입자들은 준액체 상태로 부유하며 매우 강렬한 열 및 물질 전달을 경험한다. 회전로에서는 분말 베드가 회전을 통해 혼합되고 로의 길이에 걸쳐 열처리를 받는다.
거시적으로 보면 분말 베드는 물질 및 에너지 균형을 통해 설명할 수 있습니다. 예를 들어, 국부적인 온도 변화는 대류 및 전도 열전달을 포함한 에너지 균형을 통해 모델링할 수 있습니다. 다공성 베드를 통과하는 유동은 에르군 방정식과 같은 압력 손실 방정식을 사용하여 근사적으로 파악할 수 있습니다.
Δp = L · [150·(1−ε)2/ ε3·μ·u/(dp)2+1,75 (1−ε)/ε3·ρf·u2/dp]
- Δp는 분말층을 통과하는 압력 손실이다
- L은 유동 방향의 베드 길이 또는 적재 높이
- ε는 베드의 다공도(위 참조)
- μ는 유체의 동적 점도
- u는 표면(겉보기) 유동 속도
- dp는 평균 입자 직경
- ρf는 유동 유체의 밀도
이 공정의 중요한 목표는 분말층 내에서 가능한 한 균일한 상태 분포를 확보하는 것이다. 최종적으로 온도, 수분, 조성 및 입자 구조는 모두 엄격한 허용 오차 범위 내에 있어야 한다. 그래야만 균일한 최종 제품이라고 할 수 있다. 분말층이 이러한 최종 제품을 나타낼 때 비로소 분말 처리가 완료된 것으로 간주된다.