Energy Consumption in Metal Powder Production

Abstract

The increasing demand for metal powders for additive manufacturing applications goes hand in hand with a growing energy consumption for the production of these powders. More demanding powder qualities, e.g. finer powders, might require even higher energy intensities with an increased atomization gas pressure and temperature or higher melt superheat. Furthermore, spherical particles and generally particles with a lower oxygen content demand the use of nitrogen, argon, or even helium as atomization gas instead of compressed air. This study is a contribution to understand the impact of these parameters on the carbon footprint of the metal powder product.

This contribution demonstrates that the energy efficiency of a metal powder production process can be defined by relating the theoretical energy to generate the overall surface of the powder particles as produced by disintegration of the melt flow, which equals the powder’s surface energy, to the actual energy consumption of the atomization process. A simplified melt breakup model based on linear stability analysis is used to estimate the impact of the most important production parameters on the energy consumption of the process. The results from the theoretical modelling are compared to the actual powder production data, and methods to improve the carbon footprint of the atomization process are suggested.

Zusammenfassung

Der zunehmende Bedarf an Metallpulvern für additive Fertigungsprozesse resultiert in einem wachsenden Aufwand an Energiebereitstellung zur Erzeugung dieser Pulverprodukte. Darüber hinaus steigert die Herstellung besonders feiner Pulverqualitäten beispielsweise durch erhöhten Zerstäubungsgasdruck und/oder erhöhte Zerstäubungsgastemperatur bzw. Schmelzeüberhitzung den Energieeinsatz weiter. Sphärische Pulver oder generell Pulver mit einem geringeren Sauerstoffgehalt erfordern den Einsatz von Inertgasen in Form von Stickstoff, Argon oder auch Helium anstatt von Druckluft als Verdüsungsgas. Die vorliegende Untersuchung soll zum Verständnis der Auswirkungen dieser Produktionsparameter auf den CO₂-Fußabdruck der Pulverprodukte beitragen.

Die Arbeit zeigt, dass die Energieeffizienz der Metallpulverherstellung quantifiziert werden kann durch das Verhältnis der theoretisch notwendigen Energie zur Erzeugung der Pulveroberfläche beim Zerstäubungsprozess der Metallschmelze, entsprechend der summativen Oberflächenenergie des Pulverprodukts, in Beziehung gesetzt zur tatsächlich aufgewendeten Prozessenergie. Um den Einfluss der wichtigsten Produktionsparameter auf die Energieeffizienz abzuschätzen, wird ein theoretisches Zerfallsmodell basierend auf linearer Stabilitätsanalyse der zerfallenden Flüssigkeitsschichten angewendet und die Ergebnisse mit eigenen Produktionsdaten verglichen. Weiters werden Möglichkeiten zur Verringerung des CO₂-Fußabdrucks erörtert.