유동 특성

분말 재료의 유동 특성은 공정 공학의 핵심 주제입니다. 액체는 정지 상태에서 용기 벽에 수직 압력만을 가하지만, 분말 재료는 정지 상태에서 추가로 전단력을 생성합니다. 이 전단력은 분말 재료의 내부 마찰과 벽 마찰에서 발생합니다. 내부 마찰은 재료 특성과 압력에 따라 달라집니다. 이 현상은 모어의 삼축 응력 상태 개념과 비교될 수 있습니다.

미국 공학자 앤드루 제니케와 다른 과학자들은 분말 재료의 유동 특성을 체계적으로 연구했습니다. “제니케 전단 장치”를 사용하면 이른바 유동 위치를 결정할 수 있습니다. 이는 실로가 제어된 질량 유동을 보장하기 위해 어떻게 설계되어야 하는지에 대한 정보를 제공합니다.

실린더 설계 시 중요한 파라미터는

• 실린더의 전체 높이
• 직경
• 재료 및 표면 특성
• 벽면 거칠기
• 콘 각도
• 배출 속도
• 배출구 직경

목표는 모든 운영 조건에서 벌크 재료가 신뢰성 있고 균일하게 배출되도록 실린더를 설계하는 것입니다. 이상적으로는 질량 유동으로 배출됩니다. 이 과정에서 모든 분말 영역이 동시에 균일하게 아래로 이동합니다. 굴뚝 현상이나 중심 유동 현상이 발생하지 않으며, 실로 내부의 분층 현상도 방지됩니다.

분말 기술과 분말의 유동 특성은 수많은 과학적 연구의 대상입니다: 에를랑겐-뉘른베르크 프리드리히-알렉산더 대학교 교수. 그는 입자 및 표면 공학 분야의 전문가입니다. 베른트 키백(Bernd Kieback) 교수, 드레스덴 공과대학교(TU Dresden) 분말 금속공학 교수이자 프라운호퍼 IFAM 드레스덴 소장. 헤르만 리델(Hermann Riedel) 교수, 프라이부르크 프라운호퍼 재료역학 연구소(IWM) 전 소장. 루츠 마들러(Lutz Mädler) 교수, 브레멘 대학교 교수이자 독일 연구재단(DFG) 중점 프로그램 2289 '분산 시스템 혼합' 조정자. Bilal Gökce, 쾰른 공과대학교(Bergische Universität Wuppertal) 교수로, 적층 제조용 재료 분야를 전문으로 합니다.

적층 제조 공정에서 유동 특성 및 입자 형태는 특히 중요합니다. 유동 특성은 분말이 시스템 내에서 얼마나 잘 분산되는지를 결정합니다. 분말이 잘 흐를 때만 밀도 높고 균일한 층이 형성됩니다. 나쁜 유동성은 부품에 결함을 유발합니다.

입자 형태는 유동성에 큰 영향을 미칩니다. 구형 입자는 불규칙한 형태의 입자보다 잘 흐릅니다. 가스 분사 공정에서 생성된 금속 분말은 일반적으로 좋은 구형 형태를 갖습니다. 수분 분사 공정에서 생성된 분말은 종종 각진 형태를 가지고 유동성이 낮습니다. 입자 크기 분포도 중요합니다. 입자 크기 분포가 좁고 미세 입자가 적은 경우 유동성이 향상됩니다. 미세 입자는 응집 경향이 있어 유동성을 저해할 수 있습니다. 중요한 특성 값은 포장 밀도와 압축 밀도입니다.

분말의 유동성은 저장뿐만 아니라 충전 및 포장 과정에서도 결정적인 역할을 합니다. 현대적인 충전 설비, 예를 들어 인스턴트 차를 포켓에 포장하는 경우, 프로세스는 매우 높은 속도로 진행됩니다. 이 속도는 분말이 균일한 유동성을 갖출 때만 가능합니다. 또한 분말은 대부분 먼지가 없어야 합니다. 그렇지 않으면 포장 밀봉 시 문제가 발생할 수 있습니다. 밀봉선에 미세한 먼지가 남아 있으면 밀봉이 제대로 되지 않습니다.

분말 가공 업체의 내부 물류도 충분한 유동성에 의존합니다. 사용되는 모든 분말이 정의된 유동성을 갖출 때만 생산 공정을 자동화할 수 있습니다.

화학 및 제약 원료 분말(API)은 미세 입자로 구성될 경우 일부 극히 나쁜 유동 특성을 보입니다. 이는 특히 나노 입자로 구성된 다단계 합성 원료에 해당됩니다. 이러한 분말은 심지어 매끄러운 스테인리스 강철 표면에도 달라붙을 수 있습니다. 이러한 유동 특성도 개선될 수 있습니다. 한 가지 방법은 소량의 유동 촉진제(예: 피로겐성 실리카산(Aerosil))를 선택적으로 추가하는 것입니다. 대안으로 입자 크기를 응집을 통해 선택적으로 증가시킬 수 있습니다.

유동 특성을 특성화하기 위해 다양한 측정 방법이 있습니다. 시장에는 다양한 장비와 시스템이 판매되고 있습니다:

• Dietmar Schulze Schüttgutmesstechnik의 링셔어 장치 이 장치들은 RST-XS.s 및 RST Mk II와 같이 내부 마찰, 시간 경화, 벽 마찰과 같은 유동 특성을 정확히 측정합니다. 이들은 실로 설계 및 밀가루, 약품 분말, 시멘트와 같은 분말 재료의 특성화에 특히 적합합니다. Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2
• Freeman Technology의 FT4 분말 유동성 측정기 분말 유동성 특성을 분석하는 다목적 장치입니다. 고체화, 통기, 유동화 상태 등 다양한 조건에서 측정이 가능하며, 분말의 행동에 대한 포괄적인 데이터를 제공합니다.
• ERWEKA GT 시리즈 그라놀라 유동 시험기 이 시리즈는 분말 및 그라놀라의 유동 특성을 측정하기 위한 다양한 측정 방법을 제공하는 장치입니다. 레이저 기술을 사용하여 유동 각도를 측정하는 기능도 포함됩니다.
• SOTAX PF1 분말 유동 시험기 분말 및 그라놀라의 유동 특성을 특성화하기 위한 유연한 장치입니다. 이 기기는 세 가지 표준화된 테스트 방법을 한 대의 기기에 결합하여 간단하고 반복 가능한 테스트를 가능하게 합니다.
• Pharma Test Apparatebau AG의 분말 테스트기 PTG-S5는 다양한 약물 활성 성분에 따라 분말과 입자의 유동 특성을 측정하는 자동 분말 유동 시험기입니다. 내장형 NIR 다이오드 어레이 분광계와의 결합이 가능합니다.