كيف يؤثر الانتشار الحراري على درجة حرارة البناء في عملية SLS

شرحنا في مقال سابق الدافع لإضافة مواد مالئة موصلة إلى مساحيق PA12 وإنشاء مكونات معقدة للإدارة الحرارية باستخدام عملية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS). كما شرحنا أيضًا الخطوات المختلفة لإعداد العينة، وهو أمر بالغ الأهمية لجودة النتائج.

درجات حرارة طباعة مختلفة لمخاليط المسحوق المختلفة

تم إعداد العينات كجزء من دراسة [1] أجراها باحثون في معهد تكنولوجيا البوليمرات (LKT) في جامعة إرلانجن-نورمبرج. استخدموا خلائط مختلفة من كريات النحاس والرقائق النحاسية بمحتويات مختلفة: 5 و10 في المائة من كريات النحاس و5 في المائة من رقائق النحاس. تم الاحتفاظ بكثافة الطاقة البالغة 0.043 ^جول/مم2 ثابتة لجميع المواد لاكتشاف أي تغييرات في سلوك العملية بسبب الحشوات. بالنسبة لمسحوق كريات PA12/Cu، تم تحديد درجة حرارة بناء 167 درجة مئوية تجريبيًا. بالنسبة لمزيج رقائق PA12/النحاس PA12/النحاس النحاسي، يجب زيادة درجة حرارة البناء إلى 173 درجة مئوية. وقد افتُرض أن الموصلية الحرارية الأعلى والسعة الحرارية النوعية الأقل قد تكون السبب في ذلك. لذلك، يمكن استخدام التحليل التالي لدراسة هذه التأثيرات بالتفصيل.

كيفية تحليل الانتشار الحراري

في شركة NETZSCH للتحليل والاختبار، تم استخدام جهاز LFA 467 Hyperflash لقياس الانتشار الحراري لهذه الخلائط المختلفة من مسحوق PA12 مع جزيئات النحاس مقارنة بمادة PA12 الأنيقة.

يتم تسخين السطح السفلي للعينة بنبضة ضوئية قصيرة ويتم قياس ارتفاع درجة الحرارة على السطح الخلفي كدالة للزمن باستخدام كاشف الأشعة تحت الحمراء.

يتكرر هذا الأمر لكل خطوة من خطوات درجة الحرارة بعد استقرار درجة حرارة العينة ويتم أيضًا إطلاق المصباح الوامض عدة مرات على مدى دقائق.

تحضير العينات مهم للغاية ويتم شرحه بالتفصيل هنا.

بعد تحميل العينات، يبدأ القياس باستخدام الشروط الملخصة في الجدول التالي:

الجدول 1: شروط القياس

كيفية تأثير كريات النحاس على الانتشار الحراري

يلائم برنامج NETZSCH Proteus^® تلقائيًا نموذجًا مناسبًا للبيانات المقاسة للسماح بحساب أنصاف الأزمنة، الشكل 1.

يوضح الشكل 2 الانتشار الحراري المُحلل كدالة لدرجة الحرارة واتجاه العينة للمادة PA12 الأنيقة مقارنةً بمخاليط PA12/المخاليط الكروية النحاسية.

كما هو متوقع، لا تُظهر عينات PA12 الأنيقة أي اتجاهية وقيم الانتشار الحراري هي الأقل. وتُظهر انخفاضًا نموذجيًا مع زيادة درجة الحرارة حتى درجة حرارة الانصهار.

تُظهر العينات التي تحتوي على 5 فولت من كريات النحاس بنسبة 5 فولت من النحاس قيمًا أعلى قليلًا للانتشار الحراري من PA12 الأنيق، وتُظهر العينات التي تحتوي على 10 فولت من كريات النحاس أعلى قيم من المواد الثلاث. ويرجع ذلك إلى الانتشار الحراري الأعلى للنحاس مقارنةً بالمصفوفة العازلة. بالنسبة لمعظم العينات، لم تُلاحظ أي اتجاهية بسبب الخصائص متساوية الخواص للكرات. ومع ذلك، بالنسبة للعينة التي تحتوي على 10 فولت من كريات النحاس في اتجاه السماكة z، فإن الانتشار الحراري أقل قليلاً من الاتجاهين الآخرين. ويرتبط هذا على الأرجح بالمسامية الأعلى لهذه العينات، والتي تم قياسها بواسطة Lanzl وآخرون [1]. تشير نتائج LFA إلى وجود مسامية أعلى بين الطبقات في الاتجاه z مقارنةً بالطبقة في الاتجاه xy.

كيفية تأثير رقائق النحاس على الانتشار الحراري

لوحظ سلوك مختلف مع رقائق النحاس كما هو موضح في الشكل 3، حيث تتم مقارنة قياسات الانتشار الحراري لجميع العينات في الاتجاه x والرقائق في الاتجاهات الثلاثة.

تُظهر الرقائق قيمًا أعلى بكثير للانتشار الحراري مقارنةً بالمخاليط الأخرى ذات الكرات و PA12 الأنيق. ومن المتوقع أن تكون درجة التباين العالية متباينة بناءً على الطابع ثنائي الأبعاد للحشو. يتم قياس أعلى انتشارية حرارية في الاتجاه y يليه الاتجاه x. وتتحقق أدنى القيم من خلال سمك الطبقة في الاتجاه z. ويشير ذلك إلى وجود اتجاه تفضيلي أعلى في الاتجاه xy، وهو ما يرجع على الأرجح إلى عملية تطبيق المسحوق.

يُظهر الشكل 4 صورة مجهرية للمقطع العرضي لطبقة واحدة من خليط رقائق PA12/النحاس كما ذكر لانزل وآخرون [1]. توضح الصورة أن الجسيمات تتلامس مع بعضها البعض وبالتالي يجب تقليل المقاومة الحرارية الكلية للمادة (أو هنا المقطع العرضي). يتم توجيه غالبية الحشوات أفقيًا، وهو ما يتوافق مع المستوى xy-plane. ومع ذلك، يمكن ملاحظة أن بعض الرقائق مائلة بزاوية، مما يؤدي إلى انتشار حراري أعلى في الاتجاه z مقارنة بجميع العينات الأخرى.

توفر قياسات الانتشار الحراري نظرة ثاقبة مهمة في كل من اتجاه الحشوات وقربها من بعضها البعض دون الحاجة إلى تصوير بصري إضافي.

كيفية تحديد الموصلية الحرارية

لإجراء مزيد من التحليل أو المحاكاة، بالإضافة إلى الانتشار الحراري، أ، يلزم وجود الموصلية الحرارية، ل. لحساب الموصلية الحرارية، يلزم حساب السعة الحرارية النوعية،_cp، والكثافة، r:

λ(T)= a(T)_∙cp(T)∙ρ(T)

يتم قياس كل من الانتشار الحراري والسعة الحرارية النوعية كدالة لدرجة الحرارة. يتم شرح قياس ونتائج قياسات _cp هنا. ومع ذلك، تتطلب الكثافة إعادة استخدام الكثافة في درجة حرارة الغرفة بالإضافة إلى معامل التمدد الحراري لنطاق درجة الحرارة المدروسة:

ρρ(T)_=ρRTαv(T)

تم قياس الكثافة عند درجة حرارة الغرفة باستخدام طريقة الطفو والطفو مع الماء، وتم قياس معامل التمدد الحراري، α، باستخدام محلل ميكانيكي حراري (TMA)، والذي سيتم شرحه في مقال لاحق. معامل التمدد يعتمد على الاتجاه und محسوب، ويتم حسابه على النحو التالي

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

محتوى أعلى من النحاس = توصيل حراري أعلى

يتم رسم قيم التوصيل الحراري المحسوبة الناتجة في الشكل 6 كدالة لدرجة الحرارة للمواد والمخاليط المختلفة.

لوحظت نفس الاتجاهات التي لوحظت بالنسبة للانتشار الحراري:

• مع زيادة محتوى النحاس، تزداد الموصلية الحرارية.
• تُظهر كرات النحاس سلوكًا متساوي الخواص بشكل أساسي. ترتبط الاختلافات في القيم بمسامية العينات.
• تُظهر الرقائق النحاسية أعلى زيادة في التوصيل الحراري حيث تتلامس الحشوات جزئيًا وتقلل من مقاومة التوصيل للمادة المركبة.
• تُظهر الرقائق النحاسية سلوكًا متباين الخواص بسبب هندستها ثنائية الأبعاد وعملية تطبيق المسحوق.

ومع ذلك، يرتبط انخفاض الاعتماد على درجة الحرارة وكذلك الانحناء الطفيف في درجات الحرارة المنخفضة بالاعتماد على درجة حرارة قيم _cp.

تحسين إعدادات العملية بناءً على نتائج التحليل

من أجل تطبيق هذه الحشوات الموصلة في الإدارة الحرارية، من المهم ضبط اتجاه الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد لمراعاة أي تباين في الخواص بسبب عملية الطلاء وهندسة الحشو.

فيما يتعلق بإعدادات العملية وخاصةً درجة حرارة البناء، لوحظ أن خليط الرقائق يحتاج إلى المعالجة عند درجة حرارة بناء تبلغ 173 درجة مئوية، والتي كانت أعلى ب 6 درجات مئوية من الخلائط ذات الكريات. يؤدي كل من التوصيل الحراري الأعلى والحرارة النوعية المنخفضة إلى انخفاض قدرة تخزين الحرارة في المركب وتفريغ أفضل للحرارة. خاصةً في المستوى xy، حيث تم الحصول على أعلى موصلية مع رقائق النحاس، فمن المتوقع أن يتم توزيع مدخلات الطاقة من الليزر بسرعة أكبر، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة. وبالتالي، فإن زيادة درجة حرارة البناء تتعارض مع هذا التأثير.

لفهم تأثير أشكال الحشو المختلفة على مدخلات الطاقة بشكل أفضل، قام لانزل وآخرون بتحليل سمك الطبقة الواحدة. وقد وجد أن سمك طبقة الخليط مع رقائق النحاس أرق بكثير. وعزا الباحثون ذلك إلى زيادة التوصيل الحراري في المستوى xy-plane مقارنةً باتجاه السُمك وأيضًا إلى زيادة الانعكاس المنتشر لليزر، مما يؤدي إلى انخفاض مدخلات الطاقة. يسلط هذا التحليل الإضافي الضوء على أهمية فهم التغيرات في الانتشار الحراري والتوصيلية الحرارية لجميع جوانب عملية SLS وإعدادات العملية الأكثر ملاءمة.

نبذة عن معهد تكنولوجيا البوليمرات (LKT)

معهد تكنولوجيا البوليمرات هو معهد أبحاث أكاديمي في جامعة فريدريش ألكسندر في إرلانجن-نورمبرج. وهو أحد الرواد في مجال أبحاث التصنيع المضاف؛ خاصةً SLS. تشمل مجالات البحث الرئيسية الأخرى التصميم خفيف الوزن والبلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية والمواد والمعالجة وتكنولوجيا الالتحام وعلم الترايبولوجي. بالإضافة إلى هذه المجالات البحثية، يعمل المعهد أيضاً على موضوعات متعددة التخصصات مثل تركيب مواد الحشو ومحاكاة المعالجة والتطبيقات واللدائن الحرارية المتقاطعة بالإشعاع والمعالجة اللطيفة وغيرها الكثير.

المصادر

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., التلبيد الانتقائي بالليزر للبولي أميد المملوء بالنحاس 12: توصيف خصائص المسحوق وسلوك العملية، مركبات البوليمر، ص 1801-1809، 2019: التلبيد الانتقائي بالليزر للبولي أميد المملوء بالنحاس 12: توصيف خصائص المسحوق وسلوك العملية - لانزل - 2019 - مركبات البوليمر - مكتبة ويلي على الإنترنت