Metaalverstuivingssystemen

Verstuiving van metaal is een productieproces waarbij metaal in poedervorm wordt omgezet door gesmolten metaal op te splitsen in minuscule druppeltjes. Dit poeder kan vervolgens worden gebruikt om onderdelen te maken via methodes als metaalspuitgieten, heet isostatisch persen, additieve productie en meer. Metaalvernevelingssystemen zijn de apparaten die gebruikt worden om dit proces uit te voeren.

Overzicht van metaalvernevelingssystemen

Metaalverstuivingssystemen bestaan uit mechanismen om metaalvoorraden te smelten, het gesmolten metaal naar een verstuivingsgebied te brengen, het metaal in fijne druppels te verdelen en het gestolde poeder op te vangen. De belangrijkste onderdelen zijn ovens, verdampers, toeleveringsmechanismen, verstuivers, koelkamers, cycloonafscheiders, zakkenfilters en poederverzamelsystemen.

Er zijn twee hoofdtypen verstuivingssystemen:

• Gasatomisatie - gebruikt gas onder hoge druk om de stroom gesmolten metaal te breken
• Waterverstuiving - gebruikt water onder hoge druk om het gesmolten metaal te breken

Gasverstuiving produceert gemiddeld fijnere poeders, terwijl waterverstuiving hogere productiesnelheden biedt. Beide methoden kunnen redelijk hoge opbrengsten behalen, afhankelijk van het ontwerp en de bedrijfsparameters.

metaalvernevelingssystemen Samenstelling

Onderdeel	Beschrijving
Oven	Smelt metaal in vloeibare toestand door inductie, verbranding, enz. Gebruikelijke types zijn inductieovens, vlamboogovens.
Tunisch	Dient als reservoir om het gesmolten metaal vast te houden nadat het de oven heeft verlaten. Zorgt voor een continue stroom van metaal naar het toevoersysteem.
Leveringssysteem	Brengt gesmolten metaal over van de tundish naar de verstuiver. Gebruikt vaak een giettrechter, verwarmde wasbak of spuitmond onder druk.
Verstuiver	Breekt gesmolten metaal in druppels met behulp van gas- of waterstralen. Verschillende ontwerpen en aantal stralen.
Koeling	Laat poeder stollen na verneveling voor verzameling. Lucht of inert gas wordt gebruikt als koelmedium.
Scheidingssysteem	Vangt fijne poederdeeltjes af terwijl koelmedia kunnen worden gerecirculeerd. Gebruikt cyclonen, zakkenfilters.
Poeder collectie	Verzamelt verneveld poeder om op te halen. Vaak vat- of boxcontainers, handschoenkasten of transportbanden die naar containers leiden.

metaalvernevelingssystemen Soorten

Er zijn een paar veelgebruikte verstuivers die worden gebruikt bij commerciële metaalpoederproductie:

Gasverstuivers

• Supersonische gasverstuiver - Laval mondstukken versnellen inert gas tot sonische snelheden.
• Close coupled gasverstuiver - Meerdere gasstralen die inwerken op een stroom gesmolten metaal.
• Vrije val gasverstuiver - Een stroom gesmolten metaal valt vrij door inert gas met hoge snelheid.

Waterverstuivers

• Drukwaterverstuiver - Waterstralen onder hoge druk raken een stroom gesmolten metaal.
• Roterende waterverstuiver - Gesmolten metaalstroom komt in contact met draaiende waterstralen.
• Ondergedompelde waterverstuiver - Waterstralen onder het oppervlak van een stroom gesmolten metaal.

Metalen verstuiver Kenmerken

Attribuut	Beschrijving
Type gas	Inerte gassen zoals stikstof en argon worden gebruikt om oxidatie te voorkomen. Stikstof is het zuinigst.
Waterdruk	30-150 MPa druk die nodig is om metalen goed te vernevelen.
Aantal jets	Meer stralen verhoogt de metaalbreuk, maar kan de opbrengst verlagen. Ongeveer 4-8 is gebruikelijk.
Straalopstelling	Ronde of rechthoekige straalpatronen die een metaalstroom bedekken. Rechthoekig meer uniform poeder.
Straal snelheid	Snellere inerte gassnelheden maken fijnere poeders. De optimale gassnelheid verschilt per metaal.
Valhoogte	Hoogte waarop de stroom gesmolten metaal valt voordat deze de jets raakt. Beïnvloedt de deeltjesgrootteverdeling.
Stromingsontwerp	Gladde, laminaire metaalstroom heeft de voorkeur om vroegtijdig spatten in druppels te voorkomen.
Mondstukontwerp	Nauwkeurig bewerkte mondstukken in gasverstuivers zijn cruciaal voor de prestaties.
Koeling	Sneller koelen maakt fijnere poeders. Afhankelijk van de gas-/watertemperatuur en de kamer.
Scheidingsefficiëntie	Hogere scheidingssnelheden verhogen de opbrengst. Zelfinducerende cyclonen werken goed.
Verzamelmethode	Gesloten systemen voorkomen poederoxidatie. Geautomatiseerde trommeltransportbanden zijn gebruikelijk.

Kenmerken metaalpoeder

De eigenschappen van het geproduceerde metaalpoeder zijn sterk afhankelijk van de parameters en omstandigheden van het verstuivingsproces.

Poeder Eigenschappen

Attribuut	Typisch bereik
Deeltjesvorm	Onregelmatige, bolvormige, satellietstructuren
Deeltjesgrootte	1 micron tot 1000 micron
Deeltjesgrootteverdeling	Gaussisch, log-normaal algemeen
Schijnbare dichtheid	Over het algemeen 30-80% van de ware dichtheid
Tik op dichtheid	Ongeveer 60-95% ware dichtheid
Stroomsnelheid	Varieert sterk met vorm, grootteverdeling
Puurheid	93-99,5% streefbereik
Zuurstofgehalte	Bereik 300-3000 ppm
Stikstofgehalte	75-1500 ppm-bereik

Effect op onderdeeleigenschappen

Poederattribuut	Effect op gesinterde/gedrukte onderdelen
Deeltjesgrootte	Fijnere poeders verhogen de dichtheid, verminderen poriën
Grootteverdeling	Bredere verdeling geeft betere verpakkingsdichtheid
Deeltjesvorm	Bolvormige deeltjes hebben een betere stroming en verpakking
Schijnbare dichtheid	Hogere dichtheid verhoogt de groene sterkte voor hantering
Tik op dichtheid	Hogere dichtheid geeft minder krimpleemtes na sinteren
Puurheid	Hogere zuiverheid vermindert defecten zoals insluitsels
Zuurstofgehalte	Boven 3000 ppm kan porositeitsproblemen veroorzaken

Metaalverstuivingssystemen Toepassingen

De fijne metaalpoeders die via verneveling worden gemaakt, worden in veel industrieën gebruikt om onderdelen met hoge prestaties te maken.

Industrie	Toepassingsvoorbeelden
Automobiel	Motoronderdelen, tandwielen, bevestigingsmiddelen
Lucht- en ruimtevaart	Turbinebladen, onderdelen van aërodynamische vlakken
Biomedisch	Orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten
Elektronica	Afscherming, connectoren, contacten
Energie	Nucleaire en turbineonderdelen die worden blootgesteld aan extreme omgevingen
Additieve productie	3D-geprinte eindproducten in alle industrieën

Gebruikte populaire metaalverstuivingssystemen

Veel legeringen worden geatomiseerd tot poeder voor de productie van onderdelen. Hier zijn enkele veelvoorkomende metalen en legeringen die worden geatomiseerd:

Materiaal	Belangrijkste eigenschappen
Titanium legeringen	Hoge sterkte, lage gewichtsverhouding. Biocompatibiliteit.
Nikkel legeringen	Behoudt eigenschappen bij hoge temperaturen. Corrosiebestendigheid.
Kobaltlegeringen	Biocompatibiliteit. Slijtvastheidseigenschappen.
Gereedschapsstaal	Hoge hardheidsniveaus na warmtebehandeling.
Roestvrij staal	Uitstekende weerstand tegen corrosie.
Aluminium legeringen	Licht van gewicht. Goede thermische geleidbaarheid.
Koperlegeringen	Hoge thermische en elektrische geleidbaarheid.
Magnetische legeringen	Hoge doorlaatbaarheid voor magnetische toepassingen.

Metaalpoeder leveranciers & prijzen

Er zijn een aantal gerenommeerde leveranciers die wereldwijd metaalpoeders produceren en distribueren. De prijzen zijn afhankelijk van de legering, de grootte van de deeltjes en de bestelde hoeveelheid.

Leverancier	Prijsklassen
AP&C	$50 - $1500 per kg
Sandvik Visarend	$100 - $2000 per kg
Timmerman poederproducten	$75 - $1800 per kg
Praxair Oppervlaktetechnologieën	$250 - $2500 per kg
Hogenäs	$45 - $1600 per kg
ECKA-korrels	$80 - $1200 per kg

Hoger presterende legeringen of fijnere controle over de poederdistributie vragen hogere prijzen, terwijl meer gangbare metalen en legeringen voordeliger zijn bij productievolumes.

Verstuiving van metaal vs. andere methoden

Methode	Voordelen	Beperkingen
Metaalverneveling	- Fijnere poeders - Hogere zuiverheid - Gamma legeringen	- Hoge kapitaalkosten - Vereist aanzienlijke verwerkingsexpertise
Elektrolytisch proces	- Zeer fijne en schone poeders	- Beperkt tot geleidende legeringen - Duur
Mechanisch verloop	- Eenvoudig en goedkoop - Breed scala aan metalen	- Lagere haalbare fijnheid - Hogere oxidatie
Chemische neerslag	- Pure elementaire & gelegeerde poeders	- Problemen met poederagglomeratie - Potentiële verontreiniging
Thermisch spuiten	- Kan bolvormig poeder produceren	- Oxide insluitingen- Brede grootteverdelingen

Verstuiving biedt redelijk fijne en zuivere poeders in een brede reeks legeringen bij goede productievolumes. Veiligheidsmaatregelen zijn noodzakelijk bij het hanteren van fijne metaalpoeders.

Belangrijke overwegingen bij selectie

Belangrijke factoren bij de keuze van een metaalverstuivingssysteem zijn onder andere:

Factor	Beschrijving
Productie snelheid	Vereiste poederuitvoer in kg/uur. Bepaalt de capaciteit.
Doelpartikelgrootte	Vereist gedefinieerde fijnheid, distributie. Heeft invloed op opbrengst, kosten.
Samenstelling van de legering	De meeste systemen verwerken een reeks legeringen. Kan van invloed zijn op de keuze van smeltmethode, verstuiver, gas-/waterdruk.
Productkwaliteit	De parameters worden bepaald door de zuiverheidsgraad, de zuurstofopname en de consistentie van de afmetingen.
Behandeling	Bij voorkeur gesloten poederverwerking. Sommige metalen brengen gezondheidsrisico's met zich mee.
Eindgebruik poeder	Eisen aan de onderdeeleigenschappen - dichtheid/poreusheid, vloeibaarheid, vormfactoren.
Bedrijfskosten	Nutsvoorzieningen voor smelten, gassen, water. Arbeids- en onderhoudskosten.
Veiligheid	Drukvaten voor vloeistoffen/gassen vereisen specifieke regelgeving.
Milieu-impact	De uitstoot van gassen en het gebruik/verwijdering van water zijn van toepassing.

Zorgvuldige bepaling van doorvoereisen, kwaliteitsmaatstaven, bedrijfsomstandigheden, veiligheidsparameters en kosten op basis van de eisen van het eindproduct is noodzakelijk.

metaalvernevelingssystemen Onderhoud

Goed onderhoud is nodig om verstuivingsapparatuur optimaal te laten presteren.

Onderdeel	Onderhoudsactiviteiten	Frequentie
Oven	Vuurvaste materialen en verwarmingselementen inspecteren. Indien nodig vervangen.	6-12 maanden
Sproeiers	Controleer de sproeieropeningen op slijtage/verstoppingen.	Maandelijks
Waterfilters & leidingen	Spoel leidingen door en vervang filters regelmatig.	2-4 weken
Gasleidingen & kleppen	Controleer op lekken, verstoppingen. Controleer de druk.	2-4 weken
Scheiders	Controleer de toestand van het filtermedium en de afdichtingen.	4-6 maanden
Bedieningen & sensoren	Kalibratie controleren. Test vergrendelingen en reacties.	6-12 maanden
Poeder verzamelaar	Controleer de toestand van de verpakking en de afdichtingen. Bevestig inert gasniveaus voor gesloten systemen.	Maandelijks
Systeeminterieurs	Overal schoon opgebouwd metaalstof. Vaker in de buurt van metalen stroombanen.	Maandelijks

Gedetailleerde apparatuurbewaking, preventief & voorspellend onderhoud minimaliseert onverwachte onderbrekingen in de productie.

Veelgestelde vragen

V: Wat is een geschikt automatiserings- en besturingsniveau voor metaalverstuivingssystemen?

A: Een hoge mate van automatisering in materiaaltoevoer, procesbewaking en -regeling wordt aanbevolen voor een consistente poederproductie en veiligheid. Belangrijke procesvariabelen zoals temperaturen, drukken en gasstromen moeten automatisch worden teruggekoppeld. Systeemtoezicht, parametrering en handmatige bediening zijn nog steeds verstandig.

V: Hoe bepaal je of verstuiving met gas of met water de voorkeur heeft voor een toepassing?

A: Waterverstuiving biedt een veel hogere metaaldoorvoer vergeleken met gasverstuiving. Maar gasverstuiving kan fijnere gemiddelde poederafmetingen bereiken die geschikt zijn voor onderdelen met een microstructuur. Voor typische MIM-poeders boven 15 micron heeft waterverstuiving de voorkeur vanwege de zuinigheid.

V: Welke veiligheidsmaatregelen worden aanbevolen voor het gebruik van verstuivingssystemen?

A: De juiste persoonlijke beschermingsuitrusting voor het werken met hogedruksystemen en fijne poeders is verplicht. Waterverstuivingssystemen moeten spatschermen hebben. Gesloten poederverwerking met handschoenkasten met inert gas, automatische poedercollectoren verbeteren de veiligheid. Vergrendelingen, toegangsbeperkingen, noodstops zijn essentieel.

V: Wat zijn de oorzaken van veelvoorkomende poederproductieproblemen bij verstuiving?

A: Onregelmatige poedergroottes en satellietdeeltjes zijn vaak het gevolg van ongecontroleerde metaalstromen. Verontreiniging kan het gevolg zijn van slijtage aan de spuitmond, verslechterde filtermedia of lekken. Vervuiling van kamers en separatoren door overloop vermindert de opbrengst na verloop van tijd. Het bewaken en optimaliseren van de stromingsparameters is essentieel.

V: Welke expertise is vereist om verstuivingssystemen effectief te bedienen?

A: Hoewel automatisering van de besturing de handmatige belasting vermindert, zijn getrainde metallurgische of materiaalwetenschappelijke ingenieurs die bekend zijn met poederproductie ideaal om toezicht te houden op de apparatuur. Mechanische en elektrische ingenieurs zijn nodig voor onderhoud en probleemoplossing. Operators moeten de juiste training krijgen in het omgaan met metaalpoeder.

ken meer 3D-printprocessen

Frequently Asked Questions (Advanced)

1) How do I choose between close‑coupled gas atomization and free‑fall gas atomization?

• Close‑coupled designs yield finer, more spherical powders with tight PSD for PBF-LB/EBM but at lower throughput and higher gas consumption. Free‑fall systems offer broader PSD and higher yield in 20–150 µm for MIM/LMD with better productivity per kWh.

2) What process parameters most strongly control particle size in Metal Atomization Systems?

• Key levers: melt superheat (°C above liquidus), atomizing medium pressure/velocity (gas Mach number or water MPa), melt flow rate, nozzle geometry (Laval angle, lip gap), and stand‑off distance. Increasing gas velocity and reducing melt flow generally reduces D50.

3) How can I minimize oxygen and nitrogen pickup during gas atomization of reactive alloys (e.g., Ti, Al)?

• Use high-purity inert gas (Ar) with O2 < 10 ppm, fully sealed/inerted melt and atomization chambers, pre-evacuate and backfill cycles, hot-dry gas (low dew point ≤ −60°C), and short residence times. Employ ceramic-free melt paths for Ti (cold crucible/induction skull).

4) What in‑line monitoring improves powder quality and yield?

• Real-time melt temperature, gas/water pressure and flow, chamber O2/H2O analyzers, high-speed imaging of spray cone, and cyclone differential pressure. Post-run, use laser diffraction PSD, Hall/Carney flow, apparent/tap density, and oxygen/nitrogen (inert gas fusion).

5) When is water atomization preferable despite higher oxidation risk?

• For steels, tool steels, and Cu/Fe-based MIM feedstocks targeting 10–45 µm at high throughput and low cost. Downstream deoxidation/sintering can handle surface oxides; choose water atomization when spherical morphology is not critical (e.g., press-and-sinter, MIM).

2025 Industry Trends

• Inert gas efficiency: Recirculating, heat‑recovered argon systems cut gas consumption by 15–25% and improve cost per kg for spherical powders.
• Digital twins: CFD + DEM models are used to pre‑tune nozzle sets and predict PSD, reducing trial campaigns.
• Safety upgrades: NFPA/ATEX‑aligned combustible dust management with continuous O2 monitoring becomes standard in retrofit projects.
• Titanium at scale: Cold crucible induction melting (CCIM) paired with close‑coupled atomizers expands Grade 5/23 capacity for AM.
• Inline classification: Integrated sieving and depowdering cells shrink turnaround from atomization to shipment by 1–2 days.

2025 Metal Atomization Systems Snapshot

Metrisch	2023 Baseline	2025 Estimate	Notes/Source
Argon use per kg powder (close‑coupled gas atomization, AM grades)	8–12 Nm³/kg	6–9 Nm³/kg	Recirculation + leak reduction
Share of AM‑grade powders produced via close‑coupled designs	~55–60%	65–72%	Demand for spherical PSD 15–63 µm
Typical D50 control capability (gas atomization, Ni/Co alloys)	±8–12 µm	±5–8 µm	Better nozzle and control
Reported energy intensity (kWh/kg, gas atomization)	8–14	7–12	Heat recovery on gas and melt
Facilities with continuous O2/dew point monitoring	~40-50%	70–80%	Compliance and QA
Average lead time for AM powders (standard PSD)	4–8 weeks	3–6 weeks	Inline classification, planning

Selected references:

• ISO/ASTM 52907 (metal powder feedstock for AM) — https://www.iso.org
• ASTM F3049 (metal powders characterization for AM) — https://www.astm.org
• NFPA 652/484 combustible dust and metal processing safety — https://www.nfpa.org
• Peer-reviewed atomization/CFD literature (Powder Technology, Journal of Materials Processing Tech.)

Latest Research Cases

Case Study 1: Argon Recirculation Retrofit in Close‑Coupled Atomization (2025)

• Background: An AM powder producer faced high argon costs and variable O2 content in Ni‑based superalloy powders.
• Solution: Installed a closed‑loop argon recirculation skid with catalytic O2/H2O removal, heat exchangers, and automated leak detection; tightened chamber seals and added inline O2 analyzers (<10 ppm).
• Results: Argon consumption −22%; average powder oxygen −70 ppm; D50 variability reduced by 30%; cost per kg −9%. Sources: Vendor application note; internal QA dataset.

Case Study 2: CCIM + Close‑Coupled Atomization for Ti‑6Al‑4V Grade 23 (2024)

• Background: Medical AM supplier needed ultra‑low O/N levels and high sphericity for EBM.
• Solution: Adopted cold crucible induction melting with segmented water‑cooled copper crucible, Ar back‑filled close‑coupled nozzle pack, and rapid cyclone/baghouse changeover; implemented IGF O/N testing per lot.
• Results: O = 0.12–0.16 wt%, N = 0.01–0.02 wt%; sphericity index improved by 12%; PBF spreadability defects −40%; HIP’ed parts showed 0.02% porosity by CT. Sources: Supplier qualification file; third‑party lab reports.

Meningen van experts

• Dr. Robert L. Hexemer, Powder Metallurgy Researcher, Oak Ridge National Laboratory
• Viewpoint: “Coupling CFD/DEM with real process telemetry is now practical, letting producers hit target PSD with fewer campaigns.”
• Dr. Anne Meyer, Director of AM Powders, Sandvik
• Viewpoint: “Close‑coupled gas atomization remains the workhorse for PBF; argon recirculation and better nozzle machining are the biggest cost levers in 2025.”
• Michael R. Jacobs, Process Safety Engineer, AMPP
• Viewpoint: “Continuous O2 and dew‑point monitoring plus bonded/grounded handling is essential—combustible dust incidents remain an underaddressed risk in atomization plants.”

Practical Tools/Resources

• Standards and quality
• ISO/ASTM 52907; ASTM F3049; ASTM B214 (sieve analysis), B212/B213 (apparent/tap density, flow) — https://www.iso.org | https://www.astm.org
• Modeling and simulation
• OpenFOAM/Ansys Fluent for gas/water jet CFD; Rocky DEM/EDEM for droplet/particle modeling
• Veiligheid
• NFPA 484/652 guidance; AMPP corrosion/safety resources — https://www.nfpa.org | https://www.ampp.org
• Metrology
• Laser diffraction (Malvern), gas fusion O/N/H analyzers (LECO), CT/SEM labs for morphology
• Industry insights
• MPIF technical papers; Powder Metallurgy Review; SAE/ASTM AM committees
• Supplier directories
• MPIF member directory; EU CEN standards portal — https://www.mpif.org | https://standards.cen.eu

Last updated: 2025-10-17
Changelog: Added advanced FAQ, 2025 snapshot table with efficiency and quality metrics, two recent case studies (argon recirculation retrofit; CCIM for Ti-6Al-4V), expert viewpoints, and practical tools/resources with standards and safety references
Next review date & triggers: 2026-04-30 or earlier if ISO/ASTM feedstock standards update, argon recirculation adoption exceeds 75%, or validated cost/energy shifts >15% are reported in atomization facilities