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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.29 No.2 pp.99-109
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2022.29.2.99

Effect of Particle Sphericity on the Rheological Properties of Ti-6Al-4V Powders for Laser Powder Bed Fusion Process

T. Y. Kima, M. H. Kanga, J. H. Kimb, J.K. Hongb, J.H. Yuc, J.I. Leea*
aSchool of Materials Science and Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Republic of Korea
bTitanium Department, Korea Institute of Materials Science (KIMS), Changwon 51508, Republic of Korea
cPowder Materials Division, Korea Institute of Materials Science (KIMS), Changwon 51508, Republic of Korea

- 김태윤·강민혁: 학생, 김재혁: 선임연구원, 홍재근: 책임연구원, 유지훈: 본부장, 이제인: 교수


*Corresponding Author: Je In Lee, TEL: +82-51-510-2383, FAX: +82-51-514-4457, E-mail: jilee@pusan.ac.kr
March 11, 2022 April 9, 2022 April 11, 2022

Abstract


Powder flowability is critical in additive manufacturing processes, especially for laser powder bed fusion. Many powder features, such as powder size distribution, particle shape, surface roughness, and chemical composition, simultaneously affect the flow properties of a powder; however, the individual effect of each factor on powder flowability has not been comprehensively evaluated. In this study, the impact of particle shape (sphericity) on the rheological properties of Ti-6Al-4V powder is quantified using an FT4 powder rheometer. Dynamic image analysis is conducted on plasma-atomized (PA) and gas-atomized (GA) powders to evaluate their particle sphericity. PA and GA powders exhibit negligible differences in compressibility and permeability tests, but GA powder shows more cohesive behavior, especially in a dynamic state, because lower particle sphericity facilitates interaction between particles during the powder flow. These results provide guidelines for the manufacturing of advanced metal powders with excellent powder flowability for laser powder bed fusion.



LPBF용 타이타늄 합금 분말의 유변특성에 대한 입자 구형도의 영향

김 태윤a, 강 민혁a, 김 재혁b, 홍 재근b, 유 지훈c, 이 제인a*
a부산대학교 재료공학과
b한국재료연구원 타이타늄연구실
c한국재료연구원 분말재료연구본부

초록


    1. 서 론

    타이타늄은 무게 대비 높은 강도, 우수한 내부식성, 생 체적합성으로 인해 활용도가 매우 높은 금속이지만 성형 가공 공정에서 요구되는 높은 단가로 인해 상용화에 제약 이 있다[1, 2]. 최근 적층제조 기술로써 주목을 받고 있는 금속 3D 프린팅 기술은 금형의 제조 및 주조재의 절삭이 요구되는 기존의 금속 제조기술에 비해 복잡한 형상의 제 품도 간단하게 만들 수 있다는 장점이 있어, 이 기술이 타 이타늄 제품 개발에 성공적으로 적용될 경우 공정시간 및 비용 절감이 가능해질 것으로 기대되고 있다[3-5]. 특히 고비강도와 더불어 우수한 연신율을 보이는 것으로 널리 알려진 Ti-6Al-4V(wt.%) 조성의 타이타늄 합금은 근래에 들어 금속 3D 프린팅 개발연구에 활발하게 사용되어 왔으 며, 그 결과 정밀한 치수의 부품개발이 요구되는 발전, 항 공 및 의료와 같은 고부가가치 산업에서 활용 가능성이 점차 높아지고 있다[6-10].

    대표적인 금속 3D 프린팅 기술 중 하나인 Laser Powder Bed Fusion(LPBF) 공정에서는 균일하게 도포된 분말베드 에 레이저를 조사하여 조형체를 제조하는데, 다른 프린팅 공정에 비해 조형체의 표면이 미려하고 치수 정확도가 우 수하므로 정밀한 부품 제작이 요구되는 첨단산업에서 많 이 채택되고 있다[11, 12]. LPBF 공정에서 사용되는 분말 은 분말베드 위에 원활히 도포되어야 하므로 흐름특성 (flowability)이 우수해야 한다. 따라서 입자 크기가 15- 45 mm 수준으로 매우 좁은 입도분포를 보이면서, 입자의 형상이 구형인 분말을 사용하는 것이 요구되는 것으로 알 려져 있다[8, 9, 13]. 하지만 이와 같이 엄격한 분말특성 요구조건은 LPBF 공정의 타이타늄 합금 제조단가에서 분 말 원소재의 구매비용이 큰 비중을 차지하는 원인이 되고 있다[14].

    LPBF 공정에 사용되는 구형의 타이타늄 분말은 대체로 분무 공정을 통해 제조된다[11, 15-17]. 플라즈마 분무 (Plasma atomization, PA) 공정에서는 온도가 약 10000 K 에 달하는 플라즈마에 의해 타이타늄이 용융됨과 동시에 분무되는데, 이 때 발생하는 비말은 약 10-1000 K/s의 속 도로 냉각되어 구형으로 응고된다. PA 공정으로 제조된 분말은 타 공정 대비 50 mm 미만 미분의 분율이 높아 LPBF용 분말제조에 있어 수율이 높은 편이며, 입자의 형 상이 구형에 가까워 LPBF용 분말로써 활발하게 사용되고 있다[17]. 하지만 PA 공정은 약 1.5~3.0 mm 직경의 선재 를 원료로 이용하므로, 제조가 어렵고 값 비싼 타이타늄 선재가 PA 분말의 제조비용을 높인다. 또한, 선재의 형태 로 개발이 힘든 특수 조성의 합금은 PA 공정으로 분말을 제조하는 것이 원천적으로 불가능하다는 한계가 있다.

    한편 가스 분무(Gas atomization, GA) 공정에서는 유도 코일에 의해 용융된 타이타늄이 아르곤과 같은 비활성 기 체에 의해 분무되어 구형의 입자가 만들어진다. 이 때 유 도 용해되는 타이타늄 원료는 약 100 mm 이하의 직경을 갖는 봉재의 형태로 제공되는데, 직경이 큰 봉재의 제조는 직경이 작은 선재의 제조보다 간단하며 비용이 저렴하다. 따라서 GA 공정으로 제조된 타이타늄 분말을 LPBF 공정 에 적용할 경우 분말 원소재 구매비용을 크게 낮출 수 있 는 이점이 있다[17]. 또한, 타이타늄 봉재는 다양한 조성으 로 제작하는 것이 가능하므로, GA 분말을 LPBF 공정에 적용할 경우 순수 타이타늄 또는 Ti-6Al-4V과 같은 특정 조성을 벗어나 TiAl, TiNb과 같이 고부가가치 타이타늄 합금을 적층제조할 수 있는 장점이 있다[18-20]. 하지만 GA 공정에서는 상대적으로 가벼운 미분이 부분적으로 응 고된 비말에 달라붙어 위성분말이 형성되기 쉽다. 또한, 타이타늄 용융 온도의 차이로 인해 상대적으로 구형에서 벗어난 형상을 갖는 입자의 비율이 높기 때문에, GA 공정 으로 제조된 분말은 PA 분말 대비 겉보기 밀도가 낮은 것 으로 알려져 있다[21].

    금속 3D 프린팅 연구가 급속도로 발전하여 산업체의 기 술개발 수요가 대폭 증가하면서, 현 기술수준에서 조형체 제조단가를 더욱 낮추거나, 신조성의 고부가가치 합금을 적층제조하는 연구가 최근 주목을 받고 있다. 분말 원소재 비용과 관련된 연구는 대표적으로 1) LPBF 장비에 투입 되는 분말의 입도분포를 넓히거나[9, 22], 2) PA, GA 이외 의 저비용 생산공정으로 제조된 분말을 LPBF 공정에 적 용하거나[23], 3) LPBF 공정에 사용된 분말의 재사용 횟 수를 늘리고자 하는 연구[24]가 있다. 신합금 조성개발 연 구로는 1) 고온구조용 TiAl 합금[18], 2) 생체의료용 TiNbZrSn 합금[19], 3) TiZrNb 합금[20] 등이 있다.

    금속 3D 프린팅 기술은 수 - 수백 kg의 분말이 사용되 므로, 적층제조에 앞서 분말 원소재의 프린팅 적합성을 판 별하기 위해 분말의 흐름특성이 면밀하게 평가되어야 한 다. 하지만 흐름특성은 입도 분포, 형상, 조성, 표면의 거 칠기 등 다수의 분말변수들이 복합적으로 연관되어 있기 때문에, 개별 분말변수가 분말의 흐름에 미치는 영향을 독 립적으로 분석하는 것은 매우 까다로운 것으로 알려져 있 다[25-27]. 지금까지 3D 프린팅용 금속분말의 흐름특성은 일반적으로 밀도측정을 통한 기공분율 계산, 홀 유량계를 이용한 홀 유동도 계산, 또는 안식각 측정을 통해 정성적 으로 확인되어왔다[7, 8]. 하지만, 이러한 분석기법은 실험 자의 숙련도에 따라 결과가 가변적이고, 온도, 습도, 응력 등 외부의 환경적인 요인에 실험결과가 영향을 받으며, 결 과 값이 단순히 수치로만 주어져 분말특성과 흐름특성간 의 관계를 정량적으로 파악하기 힘든 한계가 있다[28].

    최근 분말소재의 유변특성(rheological properties) 평가 에 있어 주목을 받고 있는 FT4 분말 유동계는 자동화된 실험을 통해 정적, 동적인 환경에서 분말소재가 보이는 흐 름특성의 분석에 많이 이용되고 있다[26, 27]. 이 유동계 를 이용한 유변특성 평가는 약학, 식품학, 화학 등 다양한 분야에서 사용되는 분말소재에 모두 적용 가능한데[29- 31], 최근에는 금속 3D 프린팅용 분말에서도 동일한 기기 로 분석을 수행하여 합금 분말의 유변특성을 분석함으로 써, 개발분말의 흐름특성을 평가하고 프린팅 적합성을 제 시하는 사례가 다수 보고되고 있다[7-9, 32, 33]. LPW 사 는 3D 프린팅 공정에서 재사용되는 분말의 유변특성을 분 석하여 분말 재활용에 대한 방안을 제시한 바 있으며[32], AP&C 사는 타이타늄 분말의 유변특성을 비교, 분석함으 로써 최적의 흐름특성을 갖는 합금분말의 입도분포를 제 시한 바 있다[9]. 따라서, 이러한 유변특성 평가는 향후 LPBF 공정의 기술혁신을 위한 3D 프린팅용 금속분말 제 조기술의 최적화 및 신조성의 타이타늄 합금 연구에서 개 발 분말의 프린팅 적합성을 예측하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

    본 연구에서는 PA, GA 공정으로 제조된 타이타늄 합금 분말에 대하여 레이저 입도분석 및 동적 이미지 분석법을 이용하여 제조공정에 따른 분말특성의 차이를 분석하였고, 분말유동계를 이용한 유변특성 평가를 통해 분말특성과 흐름특성간의 관계를 규명하고자 하였다. 이를 부연하면, 제조공정의 차이에서 비롯되는 입자의 구형도 차이가 분 말의 유변특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 이를 통해 현 재까지 프린팅 공정변수 최적화, 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가에 집중된 국내 3D 프린팅 연구에 분말 원소재 의 흐름특성 평가 기술을 접목함으로써, 분말 재사용, 입 도분포 최적화 및 신조성 분말 개발 등 현재 타이타늄 합 금의 3D 프린팅 선행기술 연구가 직면하고 있는 새로운 이슈에 대응하기 위한 가능성에 대해 논의하고자 하였다.

    2. 실험 방법

    본 연구에서는 플라즈마 분무법(제조사: AP&C)과 가스 분무법(제조사: Sandvik) 공정으로 제조된 Ti-6Al-4V 분말 에 대하여 실험을 진행하였다. 이후 두 분말은 각각 PA, GA 분말로 지칭된다. 두 분말의 입도분포는 레이저 입도 분석기(LS 13 320, Beckman Coulter)를 이용하여 건식으 로 측정되었으며, 그 결과를 표 1에 정리하였다. 겉보기 밀도는 홀 유량계를 통해 자유낙하하여 25 cm3 부피의 컵 에 담긴 분말의 무게로부터 측정되었다(ASTM B212). 탭 밀도는 100 g의 분말이 탭밀도 측정기(Jolting Volumeter, STAV II)에 의해 초당 250회의 속도로 1000회 탭핑된 이 후의 부피변화로부터 측정되었다(ASTM B527). 입자의 표면, 형상 및 위성분말의 유무는 주사전자현미경을 이용 하여(SEM, Mira 3, Tescan) 분석되었으며, 입자의 구형도 는 동적 이미지 분석기(Camsizer X2, Retzsch)를 이용하여 10 g의 분말시료로부터 얻은 입자사진을 통해 분석되었다.

    본 연구의 유변특성 평가 실험은 FT4 분말 유동계(FT4 Powder Rheometer, Freeman Technology, UK)를 이용하여 진행되었다. 분말시료는 25 또는 50 mm의 직경을 갖는 실 린더에 완전히 충진되어 분말베드를 이루게 되는데, 이 분 말 베드는 유변특성 분석실험에서 블레이드에 의해 유동 되거나 헤드에 의해 수직 또는 전단응력을 받게 된다. 실 린더에 분말 시료를 옮겨담을 때 공기 또는 외부 하중에 의해 매 실험마다 의도치 않은 응집체(agglomerate)가 분 말베드에 형성될 수 있다. 따라서 이러한 외부 요인들을 제거하고 균일한 상태의 분말베드를 준비하기 위해, FT4 유동계를 이용한 모든 분석에서는 회전하는 블레이드로 분말베드를 유동시키는 컨디셔닝 작업을 선행한다[27]. 본 연구에서는 50 mm 직경의 실린더를 사용하였는데, 이는 약 260ml 이상의 분말을 필요로 하므로 Ti-6Al-4V 합금 분말의 통상적인 겉보기 밀도를 고려하여 약 700 g의 시 료가 필요하였다. 유동계를 이용한 유변특성 평가 실험은 크게 동적특성(Dynamic properties) 벌크특성(Bulk properties), 전단특성(Shear properties)으로 분류되며 각각의 실 험들에 대한 부연설명은 아래에 기술되었다.

    2.1. 동적특성

    분말의 동적특성 실험에서는 일정한 속도로 회전하면서 상승/하강하는 블레이드를 이용하여 실린더에 담긴 분말 베드에 국부적인 유동을 일으킨다. 이 유동에 대한 분말의 저항은 에너지로써 수치화되는데, 이는 블레이드가 움직 이는데 필요한 힘과 토크로부터 계산된다. 동적특성 실험 의 결과는 Total energy라는 값으로 제공되는데, 여기서 Total이라는 표현은 블레이드의 수직방향 움직임에서 감지 되는 힘과 회전방향 움직임에서 감지되는 토크로부터 계 산되는 두 에너지 값들을 모두 합한 수치임을 의미한다. 따라서, Total Energy가 클수록 유동에 대한 저항성이 큰 분말임을 의미한다. FT4 유동계를 이용한 분말의 동적 특 성 평가법에는 Dynamic flow, Aeration 실험이 있다.

    Dynamic flow 실험에서는 앞서 언급한 블레이드의 움직 임으로부터 Total energy 값을 측정하게 되며, 총 11회 측 정을 반복하여 진행한다. 1~7회차 실험에서는 100 mm/s, 8~11회차는 각각 100, 70, 40, 10 mm/s의 선속도로 블레이 드를 회전시키며, 이 11회의 결과로부터 BFE, SE, SI, FRI 인자를 도출한다. 이 네 가지 인자에 대한 설명은 아래와 같다.

    • BFE(Basic flowability energy): BFE는 분말베드 내부 로 하강하는 블레이드가 분말을 유동시키는데 필요한 에너지를 의미한다. 총 11회의 측정 중 블레이드의 선 속도가 100 mm/s 인 7회차 실험에서 측정되는 t o tal energy로 정의된다.

    • SE(Specific energy): SE는 분말 베드내부로 완전히 하 강된 블레이드가 상승할 때 분말을 유동시키는데 필요 한 에너지 값을 의미한다. 하강 중인 블레이드는 분말 베드에 압축응력을 작용시키는 사실과 비교할 때, SE 는 블레이드에 의해 부피가 제한되지 않은(unconfined) 상태의 분말에서 측정된 에너지를 의미하며 이는 입자 간 응집성에 더욱 영향을 많이 받는 수치이다[34, 35]. 통상적으로 SE가 5mJ/g 이하인 경우 응집성이 낮은 분말로 간주되며[29], 각형의 입자를 갖는 일부 분말과 같이 SE가 10mJ/g 이상인 경우 응집성이 매우 큰 분 말로 간주된다[33].

    • SI(Stability index): SI는 총 11회의 측정 중 7회차 결과 에서 얻은 에너지 수치를 1회차 결과에서 측정한 수치 로 나눈 값이며, 반복되는 유동에 따른 분말 베드의 안 정성을 의미한다. BFE를 7회차 실험의 에너지 값으로 규정하는 이유와 더불어, SI 인자의 의미에 대한 자세 한 설명은 본문에서 후술되었다.

    • FRI(Flow rate index): FRI는 11회차 결과에서 얻은 에 너지 수치를 8회차 결과에서 측정한 수치로 나눈 값으 로, 블레이드 속도 변화에 따른 분말의 민감성을 나타 낸다.

    Aeration 실험에서는 분말베드의 하부로부터 공기를 투 과시키는데, 상기 언급한 dynamic flow 실험에서와 같이 회전하는 블레이드를 분말베드 내로 하강시키면서 일정한 속도로 분말을 유동시키는데 필요한 에너지를 측정한다. 공기가 투과되는 분말베드에서는 응집되어있던 입자들이 흐트러지고 입자간 간격이 멀어지므로, FT4 유동계의 aeration 실험결과는 응집체 형성의 경향성을 나타낸다[8]. 본 연구에서는 공기의 투과속도를 2, 4, 6, 8, 10mm/s로 단계적으로 증가시키면서 Total energy를 측정하였다. 일 부 분말시료의 경우 특정 투과속도 이상에서부터 에너지 값이 수렴하는 결과를 보이는데, 이 때의 에너지 수치를 aeration energy(AE)로 정의한다.

    2.2. 벌크특성

    분말의 벌크특성 실험에서는 실린더의 내경과 동일한 직경을 가지면서 공기의 투과가 가능한 헤드를 이용하여 분말 베드에 수직 응력을 가함으로써 압축성(Compressibility) 과 투과도(Permeability)를 평가한다. 압축성 실험에 서는 분말베드에 작용하는 수직응력을 1, 2, 4, 8, 10, 12, 15 kPa까지 단계적으로 증가시키면서 분말베드의 부피 감 소율을 측정하였다.

    투과도 실험에서는 일정한 속도로 공기가 유입되는 분 말베드에 수직응력을 작용시키고, 이 때 나타나는 분말 베드 상부와 하부의 압력 강하(Pressure drop, ΔP)를 측 정한다. ΔP는 아래의 식과 같이 투과도와 반비례 관계를 가지므로[36], 분말 베드의 작은 ΔP는 큰 투과도를 의미 한다.

    KPMI-29-2-99_EQ1.gif
    (1)

    이 때, k, q, m, L은 각각 투과도, 공기의 투과속도, 공기 의 점도(1.81 × 10-5 kg/(m·s)), 분말베드의 길이(본 연구에 서는 실험에 사용된 실린더의 높이, 100 mm)를 의미한다. 본 연구에서는 2 mm/s의 속도로 공기를 투과시켰고, 헤드 를 이용하여 1, 2, 4, 8, 10, 12, 15 kPa까지 단계적으로 수 직응력을 증가시키며 ΔP를 측정하였다.

    2.3. 전단 특성

    분말의 전단 특성 실험에서는 수직응력 하에서 조밀화 된 분말베드의 초기 흐름(incipient flow)을 야기하는 전단 응력을 측정한다. 분말베드의 항복곡선(yield locus)을 얻는 Shear cell test는 사전전단(pre-shearing)과 전단(shearing), 두 단계로 분류하는 것이 가능하다. 사전전단 단계에서는 분말베드에 수직응력을 작용시킨 후, 정상상태 흐름 (steady-state flow)이 발생할 때까지 힘을 가하여 이 때의 사전전단응력(τpre)을 측정한다. 이 때, 전단응력 측정을 마 친 분말베드는 사전 조밀화(Pre-Consolidation) 되었다고 정의한다. 전단단계에서는 사전조밀화된 분말베드에 그보 다 낮은 수직응력을 작용시킨 후 이 분말베드가 파손 (failure)되는 전단응력(τi)을 측정한다[25, 36]. 본 연구에서 는 네 가지의 사전조밀화 응력 하에서(σpre = 3, 6, 9, 15 kPa) 전단 특성을 평가하였으며, 각각의 사전조밀화 응력 에서 다섯 번의 전단단계 실험을 수행하여 다섯 포인트의 수직응력-전단응력 데이터를 기록하였다. 도식화된 전단 특성 평가법과 그에 대한 전단응력-시간-수직응력간 관계 를 그림 1에 나타내었다.

    전단단계에서 측정된 다섯 가지의 수직응력-전단응력 조합은 선으로 연결되었을 때 분말 시료의 항복곡선을 나 타내는데, 이는 모어 원 분석을 수행하는데 이용되며 (ASTM D7891) 이를 통해 분말베드의 강도를 평가할 수 있다. 도식화된 모어 원 분석 예시를 그림 2에 나타냈으며, 이를 통해 도출할 수 있는 인자는 아래와 같다.

    • MPS(Major principal stress, σ1): MPS는 그림 2의 큰 모어 원에서 나타나는 최대 수직응력을 나타내며, 사 전조밀화 응력 하의 분말베드를 파손시키는데 필요한 응력을 의미한다.

    • UYS(Unconfined yield strength, σc): UYS는 그림 2의 작은 모어 원에서 나타나는 최대 수직응력을 나타내며, 부피가 제한되지 않은 분말베드를 파손시키는데 필요 한 응력을 의미한다.

    • CS(Cohesion strength): CS는 그림 2의 항복곡선과 y축 간의 교점을 나타내며, 부피가 제한되지 않은 분말베 드의 초기 응집성을 의미한다.

    • AIF(Angle of internal friction, φ): AIF는 그림 2의 항 복곡선과 x축 간의 각도이며, 분말베드 내 입자들 간 의 마찰을 나타낸다.

    한편, MPS와 UYS의 비율로 정의되는 FF(Flow function) 인자는 분말시료의 흐름 특성을 평가하는데 사용된다. Jenike에 의해 제시된, FF 인자를 이용한 분말재료의 흐름 특성 분류기준[37]을 표 2에 나타내었다.

    3. 실험결과

    3.1. 분말특성

    3.1.1. 구형도

    그림 3a-b는 PA, GA 분말의 주사전자현미경 사진을 나 타낸다. 두 분말 모두 대체로 구형의 형상을 보이고 있으 며, 입자크기 역시 레이저 분석 결과와 유사하게 좁은 입 도분포(20-50 mm, 표 1)를 보이는 것으로 확인되었다. 하 지만 GA 분말의 경우 타원형의 입자가 일부 관찰되었으 며(그림 내 화살표로 표시), 상대적으로 PA 분말보다 위성 분말의 개수가 많은 것으로 확인되었다.

    그림 4a는 PA, GA분말의 입자크기에 따른 구형도 (fsphericity)의 변화를 동적 이미지 분석기로 분석한 결과를 나타낸다. 그림 4b-d는 동적 이미지 분석 예시로써, 구형 입자와 타원형 입자, 위성분말을 갖는 입자의 사진과 지름, 구형도 분석 결과를 보여준다. 그림 4a에서 y축으로 표현 된 구형도의 정의는 아래의 식과 같다.

    KPMI-29-2-99_EQ2.gif
    (2)

    AP는 각각 이미지 분석 소프트웨어로 측정한 구형 입자의 면적과 둘레의 길이를 나타낸다. 식 2에 따르면, 입자의 형상이 구형에서 벗어날수록 면적대비 둘레의 길 이가 길어져서 fsphericity 값이 1에서 멀어지므로, 이 수치가 1에 가까울수록 입자의 형상은 구형에 가깝다.

    그림 4a에 따르면 지름 25 mm 미만의 입자일 경우 GA 분말은 PA 분말과 유사한 구형도를 보이지만, 25 mm 이상 일 경우 지름이 커질수록 두 분말간의 구형도 차이가 점 차 커지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 그림 3에 서 확인된 바와 같이 크기가 작은 미분일수록 구형에 가 깝고, 대체로 큰 지름에서 타원형의 입자가 잘 확인되는 결과와 일치한다. 이미지 분석 결과, 구형입자에 비해 타 원형의 입자 또는 위성분말을 갖는 입자가 더 낮은 구형 도를 보이는 것으로 확인되었다(그림 3b-d). 따라서, 본 연 구에서 사용된 Ti-6Al-4V 조성의 PA, GA 분말은 입도분 포가 20-50 mm 수준으로 좁은 것이 유사하지만, 입자의 구형도에서 차이가 있는 것으로 간주할 수 있다. 그리고 이 구형도의 차이는 GA 분말에 존재하는 타원형 입자와 위성분말을 갖는 입자에 의한 것으로 생각할 수 있다.

    3.1.2. 밀도

    PA, GA 두 분말의 겉보기 밀도와 탭 밀도를 표 3에 나 타내었다. GA 분말은 PA분말과 유사한 탭 밀도를 보이는 반면, 겉보기 밀도는 약 10% 가량 낮은 것으로 확인되었 다. 이 때문에 두 밀도 값으로부터 도출되는 흐름특성 평 가 인자인 Carr index(CI)와 Hausner ratio(HR)에서 다소 차이가 발생하게 되며, 이 때 CI, HR은 아래의 식과 같이 정의된다.

    KPMI-29-2-99_EQ3.gif
    (3)

    KPMI-29-2-99_EQ4.gif
    (4)

    ρapp, ρtap은 각각 겉보기 밀도, 탭 밀도를 나타낸다. CI와 HR은 분말 내부의 기공분율과 관련이 있는 인자인데, 대 체로 분말소재는 기공분율이 클수록 흐름특성이 나쁘기 때문에 이 인자들을 이용하여 분말의 흐름특성을 평가하 는 분류체계가 제시된 바 있다(표 4). CI가 0.15 미만일 경 우, HR이 1.25 미만일 경우 분말시료는 자유로운 흐름 (Free-flowing)을 보이는 분말인 것으로 분류될 수 있다 [26, 38]. 비록 겉보기 밀도의 차이로 인해 GA 분말은 CI, HR 값이 약간 높게 나타났지만, 두 분말의 CI와 HR은 각 각 0.15, 1.28 이하로 충분히 작은 값을 보이고 있다. 따라 서 표 4의 분류 기준을 적용했을 때, PA, GA 두 분말 모 두 흐름특성이 우수하다고 간주할 수 있다. 이러한 결과는 두 분말이 모두 분무법으로 제조되어 충분히 입도분포가 좁고 입자형상이 구형에 가까워 흐름특성이 우수하다는 사실과 일치한다. 다만, 밀도 측정만으로는 두 분말의 흐 름특성 차이를 면밀하게 분석하는 것이 어렵다는 점을 동 시에 나타내고 있다.

    3.2. 유변특성

    FT4 유동계를 이용한 유변특성 분석은 모든 분말시료가 동일한 상태로 준비되어 실험이 진행될 수 있도록 컨디셔 닝 작업을 선행하게 된다. 컨디셔닝 이후 FT4 유동계는 분말의 변화된 무게를 측정하게 되는데, 이 때 분말베드의 밀도를 컨디션 밀도(Conditioned bulk density, CBD)라고 정의하며 PA, GA 분말에 대하여 측정된 컨디션 밀도는 각각 2.69, 2.55 g/ml이다. 이 수치들은 표 3에 제시된 겉 보기 밀도보다는 크고 탭 밀도 보다는 작은 값을 보인다. 이는 컨디셔닝된 분말에서 자유낙하된 분말과는 달리 블 레이드에 의해 입자들이 재배열 됨에 따라, 분말베드 내 일부 기공이 외부로 방출되어 입자간 간격이 감소함으로 써 부피가 변하기 때문이다.

    3.2.1. 벌크특성

    그림 5는 PA, GA 분말에 작용하는 수직응력을 점차 증 가시키면서 압축성을 측정한 결과를 나타낸다. 두 분말의 압축성은 대체로 비슷한 수치를 보이지만, 6 kPa 이상 수 직응력이 작용할 때부터 GA 분말의 압축성이 소폭 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 15 kPa의 수직응력을 가했 을 때 PA, GA 분말의 압축성이 각각 4.11, 4.70%으로 측 정되었다. 이는 최근 유사한 입도분포의 Ti-6Al-4V 합금 분말에서 보고된 압축성(3.52-6.02%[9], 1.88-2.85%[8])과 비슷한 결과이며 제약, 세라믹 등 타 분야의 분말 소재 (10~50%) 보다는 작은 편에 속한다[27]. 분말의 압축성은 수직응력 하의 분말베드에서 입자들의 재배열이 일어나 갇혀 있던 기공이 빠져나오는 현상과 연관이 있다. 일반적 으로 흐름특성이 좋지 않은 분말은 기공분율이 커서 압축 성이 크게 나타나는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 입자 크기가 수 mm 이하로 매우 작거나[26], 각형의 입자로 이 루어져 있거나, 넓은 입도분포를 갖는 분말시료가 이에 해 당한다[33]. 본 연구의 GA, PA 분말은 좁은 입도분포(20 – 50 mm)를 보이며 구형의 형상을 이루고 있으므로 압축 성이 작은 것으로 판단된다. 또한, 그림 3, 4에서 확인된 두 분말의 구형도 차이는 압축성에 적은 영향을 미치는 것으로 보인다.

    그림 6은 PA, GA 분말에 수직응력을 작용하면서 측정 한 압력강하(ΔP)를 나타내며, 그림 6 내 삽화는 식 1을 이 용하여 계산한 두 분말의 투과도를 보여준다. 두 분말은 수직응력이 15 kPa까지 증가함에도 ΔP와 투과도 모두 변 화가 거의 보이지 않는데, 이는 분말베드 내에 2 mm/s로 공기가 투과될 경우 수직응력에 의한 입자들의 재배열이 거의 일어나지 않음을 의미한다. 이 때 측정된 두 분말의 ΔP는 약 17mbar였으며, 투과도는 약 10.5 × 10-9 cm2으로 계산되었다. 투과도는 공기가 분말베드를 얼마나 쉽게 통 과하는지를 평가하는 인자이다. 따라서 입자 직경이 큰 분 말베드는 입자간 간격이 넓어 대체로 투과도가 크고, 수 mm 이하의 미분이 많이 혼합된 분말일수록 투과도 값은 작다[36]. 본 연구의 GA, PA 분말은 서로 입도분포가 유 사하므로 입자간 간격 역시 유사할 것으로 기대된다. 따라 서 두 분말은 ΔP 및 투과도가 거의 비슷한 값을 보이며, 이 두 특성은 그림 3, 4에서 확인된 구형도 차이와 큰 연 관이 없는 것으로 사료된다.

    3.2.2. 전단특성

    그림 7(a-d)는 PA, GA 분말에 대해 Shear cell 실험을 진 행한 결과이며, 그림 2에서 소개한 두 개의 모어 원 및 항 복곡선을 중첩하여 나타내었다. 모든 사전조밀화 조건 하 에서 GA 분말은 PA 분말보다 유동에 필요한 전단응력이 큰 것으로 확인되었다. 이러한 경향은 모어 원 해석에서 도출한 인자에서도 나타났는데(표 5), 모든 사전조밀화 조 건에서 GA 분말은 PA 분말보다 0.1-1.0 kPa 가량 큰 CS, UYS, MPS 값을 보였다. 이는 분말베드의 강도가 GA 분 말에서 더 크다는 점을 의미하는데, 분말의 구형도가 낮을 수록 입자간 응집이 더 강하게 나타난다는 점을 나타낸다. 단, 그림 7표 5에서 보이는 두 분말 간의 전단응력, UYS, MPS의 차이는 1 kPa 이하로 나타났다. 이러한 결과 는 입자의 형상이 각형과 구형으로 서로 다른 Ti-6Al-4V 합금 분말에서 전단응력 차이가 3 kPa에 달했던 점[33]과 대비되는데, 이는 그림 34에서 확인된 구형도 차이가 분말의 응집성에 미치는 영향은 입자형상(구형 vs 각형)의 차이가 미치는 영향보다 작은 편임을 의미한다.

    UYS와 MPS의 비로부터 계산되는 FF 인자는 두 분말 에서 유의미한 차이가 나타나지 않았다(표 5). PA, GA 두 분말 모두 FF가 9 이상을 보이므로, MPS와 UYS를 각각 x, y축으로 나타낸 그림 8에서 두 분말은 모두 easy 또는 free-flowing 영역에 포함되는 것으로 확인되었다. 이는 Janike의 분류기준(표 2)에 근거했을 때 두 분말의 흐름특 성이 매우 좋음을 의미하며, 각형의 입자를 갖는 분말시료 또는 입자크기가 수 mm 이하로 매우 작은 분말시료에서 FF 인자가 매우 작게 나타나는 결과와 대비된다[26, 33]. 따라서 전단특성 실험결과 PA, GA 두 분말은 모두 흐름 특성이 우수한 것으로 평가되었다. 하지만 이는 그림 3, 4 에서 확인된 바와 같이 구형도가 서로 다른 두 구형분말 의 흐름특성을 FF 인자로 구분하는 것은 어렵다는 점을 동시에 시사한다.

    3.2.3. 동적 특성

    그림 9는 분말 유동계를 이용하여 측정한 dynamic flow 실험의 Total energy 결과를 보여주며, 그래프의 아래와 위 에 보이는 두 개의 x축은 각각 실험 순번과 블레이드 회 전 속도를 나타낸다. 실험으로부터 도출된 BFE, SE, SI, FRI 값은 그림 9 내부에 나타내었다. PA, GA 두 분말 모 두 1~7번째 total energy 값이 거의 일정하게 측정되어 SI 가 1에 가까운 값을 갖는데, 이는 블레이드에 의한 반복적 인 유동이 분말베드의 흐름특성을 변화시키지 않는다는 사실을 나타낸다. 만약 입자크기가 다른 두 종류 이상의 시료들이 섞인 혼합 분말이거나 시료의 상태가 불균일한 분말의 경우, dynamic flow 실험이 반복됨에 따라 분말베 드 내 입자들의 재배열이 일어나기 때문에 실험 회차에 따라 total energy 값이 크게 변하는 것으로 알려져 있다 [36, 39]. 따라서, SI 인자가 1에 가까운 결과는 두 분말이 매우 균일하고 안정된 상태임을 의미한다.

    PA, GA 분말의 FRI 인자는 각각 1.03, 1.13으로 다소 값 이 다른데, 이는 두 분말의 응집성 차이와 연관이 있다. 응 집성이 큰 분말은 대체로 유동속도에 민감한데, 이를 부연 하면 유동속도가 느릴수록 분말베드에 존재하던 기공이 더욱 많이 외부로 방출되므로 분말의 기공분율이 큰 폭으 로 감소하게 된다. 그리고 기공이 제거되어 입자간 간격이 줄어든 분말은 더욱 강한 응집성을 보이게 되어, 흐름에 대한 저항성이 커지게 된다[26]. 따라서 전단특성 실험결 과(그림 7) 응집성이 상대적으로 더 큰 것으로 확인되었던 GA 분말에서 블레이드 회전 속도가 느릴수록 total energy 가 더 가파르게 증가하는 것이다.

    PA, GA 분말의 BFE는 각각 2083, 2353 mJ이며, 흐름에 대한 저항성을 나타내는 또 다른 인자인 SE는 각각 2.76, 3.12 mJ/g 로 측정되었다. GA 분말의 BFE와 SE가 더 큰 것은 동일한 조건으로 분말을 유동시키는데 GA 분말에서 더 많은 에너지가 필요함을 의미하는데, 이는 분말베드 내 에서 유동되는 입자의 부피와 연관이 있다. 상대적으로 구 형도가 낮은 입자를 갖는 분말은 유동 중일 때 입자간 맞 물림(particle interlocking)이 잘 일어난다[40]. 이러한 물리 적 체결이 분말베드 내 입자들의 국부적인 브릿징(bridging) 형성을 촉진시키게 되므로, 블레이드 부근에서 유동되는 입자의 부피를 국부적으로 증가시키게 된다[8, 31]. 따라 서 구형도가 낮은 GA 분말에서는 동일한 블레이드의 움 직임이라 하더라도 더 많은 양의 입자들이 유동되기 때문 에 흐름에 대한 저항성이 커져서, 결국 BFE와 SE가 더 크 게 나타난다.

    한편, 본 연구에서 측정된 두 분말의 BFE는 최근 유사 한 입도분포의 Ti-6Al-4V 합금 분말에서 보고된 BFE (250~300 mJ[8, 9, 41])에 비해 약 10배 가량 큰 값을 보인 다. 이러한 차이는 분말 유동계 실험에 사용된 분말의 부 피가 다른 점에, 즉 BFE가 부피 또는 질량으로 표준화되 지 않은 점에 기인한다. 따라서 BFE 값을 타 연구결과와 비교하고자 한다면, BFE를 분말의 무게로 나눈 NBFE (Normalized basic flow energy[26])를 계산하여 평가하는 것이 적절하다. 본 연구에서 PA, GA 분말의 NBFE는 각 각 4.84, 5.77 mJ/g이며, 이는 타 논문에서 보고된 4.16, 4.54 mJ/g[41] 와 비슷한 결과를 보인다.

    그림 10은 분말 유동계를 이용하여 얻은 PA, GA 두 분 말의 Aeration 실험결과를 나타낸다. 그래프의 x축은 분말 이 담긴 실린더의 하부에서 유입되는 공기의 투과 속도를 의미하며, y축은 앞서 dynamic flow 실험(그림 9)에서와 같이 블레이드가 분말 베드 내부로 하강할 때 측정된 Total energy를 나타낸다. GA 분말은 모든 실험조건에서 PA분말보다 total energy가 컸으나, 투과속도가 증가할수 록 그 폭은 감소하였다. 두 분말의 total energy는 공기의 투과 속도가 2 mm/s 일 때 급격하게 감소하는 양상을 보 였으며, 4 mm/s 일 때는 공기가 투과되지 않을 때보다 total energy가 90% 이상 감소하는 것으로 확인되었다(그 림 10 삽화). PA 분말은 4 mm/s 일 때부터, GA 분말은 6 mm/s 일 때부터 total energy가 약 30 mJ로 수렴하는 결과 가 나타났는데, 이는 공기 투과로 인해 두 분말이 유동화 (fluidization) 되었음을 의미한다. 이와 같은 aeration 실험 결과는 두 분말의 응집성과 연관이 있다[26]. 즉, 응집성이 큰 분말에서는 입자간 맞물림이 더욱 자주 일어나기 때문 에, 분말의 유동에 더 큰 에너지가 필요하고 유동화 시키 는데 있어 더 빠르게 공기가 투과되어야 하는 것이다.

    4. 고 찰

    본 연구는 겉보기 밀도, 홀 유동도, 안식각 측정과 같은 정성적인 분석결과로 대변되던 기존의 유동특성 평가 방 식에서 나아가, 분말 유변특성의 분석을 통해 GA, PA 분 말의 구형도 차이에 따른 흐름특성의 차이를 면밀하게 분 석하였다.

    밀도측정을 통한 CI, HR 분석과 shear cell 실험을 통한 FF 인자의 평가로부터, 구형의 PA, GA 분말은 모두 흐름 특성이 우수한 분말로 분류됨을 확인하였다. 이러한 결과 는 두 분말이 분무법으로 제조됨에 따라 입도분포가 충분 히 좁고(20 – 50 mm), 개별 입자의 형상이 구형에 가까운 사실에 기인한다. 하지만 FT4 유동계를 이용하여 유변특 성을 분석한 결과, 상대적으로 구형도가 좋지 않은 분말에 서 입자간 응집성이 더 크게 나타났으며, 이로 인해 구형 도가 낮은 분말은 동일한 유동에 더 큰 에너지가 필요한 것으로 확인되었다. 이는 3D 프린팅용 분말에서 구형도의 상대적인 차이가 흐름특성에 영향을 미친다는 사실을 의 미한다.

    분말 원소재의 좋지 않은 흐름특성은 LPBF 공정에서 균일한 분말베드를 쌓는 리코팅(recoating) 작업에 영향을 미쳐 리코팅된 분말층의 입자 충진율을 낮추게 될 것으로 예상되는데, 이러한 문제는 적층제조된 조형체 내부에 기 공의 형성을 야기하여 상대밀도를 낮춤으로써 재료의 강 도 및 연성, 인성과 같은 기계적 특성을 저하시킬 우려가 있다. 하지만 GA, PA 기법으로 제조된 분말을 이용하여 LPBF 공정으로 타이타늄 조형체를 적층제조했을 때, 두 조형체 내부의 기공분율 및 기계적 특성의 차이가 거의 나타나지 않는 것으로 최근 보고된 바 있다[7, 8]. 이러한 결과는 본 연구에서 확인된 두 분말의 응집성 차이(< 1 kPa)와 BFE 차이(270 mJ)가 LPBF 공정과 최종 조형체의 품질에 영향을 미칠만큼 대단히 크지는 않은 것임을 짐작 하게 한다. 따라서, 일정 수준 이상의 구형도를 가져 동적 특성이 크게 저하되지 않는다면, GA 분말이 PA 분말을 대신하여 LPBF 공정에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 따라서, 3D 프린팅용 합금분말의 입자 구형도 차이가 분 말의 유변특성 및 흐름특성에 미치는 영향을 다양한 실험 을 통해 보다 정량적으로 분석될 필요가 있다. 그리고 이 러한 분석을 바탕으로, 합금분말의 유변특성과 리코팅 적 합성 및 프린팅 적합성 간의 연관성에 대해 향후 추가적 으로 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 구형의 PA, GA 분말에 대해 구형도와 밀도, 유변특성을 분석하였으며, 그 결과는 아래와 같다.

    • 1) 동적 이미지 분석결과, 타원형 입자 및 위성분말의 분율이 큰 GA 분말이 PA 분말보다 상대적으로 낮은 구형 도를 보였다. 구형도가 낮은 GA 분말은 PA 분말보다 겉 보기 밀도와 컨디션 밀도가 작았으나 탭 밀도는 유사하였 으므로, 두 분말에서 CI, HR 인자의 차이는 크지 않았다. 이로부터 단순한 밀도 측정만으로는 구형도가 다른 두 구형 분말의 흐름특성을 비교하는데 한계가 있음을 확인하였다.

    • 2) 유변특성 분석 결과, 압축응력 하에서 평가되는 벌크 특성인 압축성과 투과도는 두 분말의 구형도 차이와 큰 연관이 없는 것으로 확인되었다. 전단특성 실험결과 구형 도가 낮은 GA 분말에서 응집성이 더 강하게 나타나는 것 을 확인했는데, 이는 타원형 또는 위성분말을 갖는 입자들 에 의해 입자간 마찰, 맞물림과 같은 현상이 자주 나타나 는데 기인한다.

    • 3) 동적특성 실험결과, 구형도가 낮은 GA 분말은 PA 분 말보다 더 큰 BFE 값을 보였다. 이는 GA 분말의 더 강한 응집성으로 인해 유동 중 브릿징과 같은 현상이 발생하여 분말의 유동에 더 큰 에너지가 필요하기 때문이다. 하지만 이러한 동적특성 차이가 LPBF 공정의 리코팅 및 프린팅 작업에서 얼마나 안 좋은 영향을 미치는지에 대해서는 추 가적인 연구가 필요하다.

    • 4) 이러한 연구를 통해 다양한 분말변수 중 하나인 구형 도가 분말의 유변특성에 독립적으로 미치는 영향을 체계 적으로 분석함으로써, 향후 표면 거칠기, 위성분말, 입도 분포, 또는 조성과 같이 다른 분말변수가 제어된 신 합금 분말의 흐름특성을 평가하는 방안을 제시하고자 하였다. 또한, 향후 저비용 금속 3D 프린팅 기술 및 고부가가치 신 합금 프린팅 기술 등 첨단 적층제조 기술개발에 분말의 유변특성 분석기술이 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

    감사의 글

    본 연구는 2022년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관 리원(KEIT) 연구비 지원(20013202)과 2019년도 부산대학 교 신임교수연구 정착금 지원으로 이루어졌습니다.

    Figure

    KPMI-29-2-99_F1.gif
    Plot of shear cell test procedure.
    KPMI-29-2-99_F2.gif
    Graphical representation of Mohr circle construction and derived parameters.
    KPMI-29-2-99_F3.gif
    SEM images of (a) PA and (b) GA powders.
    KPMI-29-2-99_F4.gif
    (a) Particle sphericity (fsphericity) of PA and GA powders. Particle images from dynamic image analysis for (b) spherical, (b) elliptical, and (d) satellite particles.
    KPMI-29-2-99_F5.gif
    Variation of compressibility as a function of normal stress.
    KPMI-29-2-99_F6.gif
    Pressure drop across the powder bed as a function of normal stress. The inset shows permeability derived from Eq. (1).
    KPMI-29-2-99_F7.gif
    Shear cell analysis of PA and GA powders at consolidation stress of (a) 3, (b) 6, (c) 9, (d) 15 kPa.
    KPMI-29-2-99_F8.gif
    Flow functions and classification according to the flowability index FF.
    KPMI-29-2-99_F9.gif
    Total flow energy measurements and derived parameters.
    KPMI-29-2-99_F10.gif
    Total flow energy of PA and GA powders with air velocity. The inset shows the normalized flow energy as a function of air velocity.

    Table

    Particle size distribution of PA and GA powders measured by laser diffraction method.
    Classification of flowability index [37]
    Densities of powders and related flowability parameters
    Hausner ratio and Carr's classification for powder flowability [26, 38]
    Shear test parameters from Mohr circle construction

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