كيف تؤثر السعة الحرارية النوعية للمساحيق المملوءة على معلمات معالجة SLS

أنظمة الحشو هذه هي مواد ذات توصيل كهربائي أو حراري أعلى مثل الألومنيوم أو النحاس. إذا تم تحقيق توصيل حراري أعلى، فإن تطبيقات الإدارة الحرارية في متناول اليد والتي يمكن تعزيزها بشكل أكبر من خلال الأشكال الهندسية المعقدة الممكنة باستخدام SLS. في حين أن الأداء المتغير مطلوب في المكون النهائي، فإن إضافة مواد الحشو إلى مساحيق SLS لها أيضًا تأثير على سلوك المعالجة ويجب فهمها لإنهاء مهمة البناء بنجاح.

لماذا النحاس مناسب

خذ على سبيل المثال النحاس كمادة موصلة للحرارة جيدة. تبلغ سعته الحرارية النوع ية في حدود 0.4 جول/غرام×ك. يجب أن يؤدي خلطه مع مسحوق PA12 إلى تقليل السعة الحرارية النوعية للخليط. لذلك، تنخفض قدرة المركب على تخزين الحرارة، ويتم تفريغ الحرارة بشكل أسرع ويمكن تغيير التوازن الحراري للمبنى. تعرف على المزيد حول قياسات _cp على مساحيق PA12 غير المعبأة هنا!

تحضير العينات للتحليل

في دراسة أجريت في معهد تكنولوجيا البوليمرات (LKT) في جامعة إرلانجن-نورمبرج، تم إنتاج خلائط مختلفة من كريات النحاس والرقائق النحاسية بمحتويات مختلفة ومعالجتها في ماكينة EOS Formiga P110. اختلفت العينات في كل من شكل الحشو (كريات ورقائق) وفي المحتوى الحجمي (5 و10%).

تم الاحتفاظ بكثافة ^{الطاقة1} البالغة 0.043 ^جول/مم2 ثابتة لجميع المواد لاكتشاف أي تغييرات في سلوك المعالجة بسبب الحشوات. أثناء المعالجة، لم يمكن إنتاج أي عينات مع رقائق النحاس بنسبة 10 في المائة من النحاس. تم تحديد درجة حرارة المعالجة للخليط مع الكريات النحاسية بـ 167 درجة مئوية ومع رقائق النحاس 173 درجة مئوية على التوالي.

قياس السعة الحرارية النوعية

تم استخدام جهاز NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® لقياس السعة الحرارية النوعية _cp كدالة لدرجة حرارة هذه الخلائط المختلفة من مسحوق PA12 مع جزيئات النحاس مقارنةً بمادة PA12 النقية. تم إجراء القياسات وفقًا للمواصفة ASTM E1269 والمواصفة القياسية ISO 11357-4.

بعد خطوة تبريد أولية إلى -25 درجة مئوية، تمت زيادة درجة الحرارة إلى 215 درجة مئوية عند 10 كلفن/دقيقة. تم قياس عينتين مختلفتين وتم حساب المتوسط. يلخص الجدول التالي شروط القياس.

الجدول 1: شروط القياس

تحليل بيانات القياس باستخدام برنامج ذكي

يظهر التحليل في برنامج NETZSCH Proteus^® في الشكل 1. وهو يوضح السعة الحرارية النوعية "الظاهرية" لعينة PA12 مع كريات نحاسية بنسبة 5 فولت من النحاس، متراكبة مع تأثيرات الذوبان والانتقال الزجاجي.

يمكن استنتاج بيانات _cp بسهولة من هذا المنحنى. ومع ذلك، في نطاق درجة الحرارة بين 90-190 درجة مئوية، يتعارض تأثير زيادة _cp وتأثير الانصهار الماص للحرارة مع تأثير الذوبان. ولذلك، عادةً ما يتم استيفاء القيم في نطاق الذوبان.

يوضح الشكل 2 قيم _cp بعد الاستيفاء لجميع العينات الأربع.

كما هو متوقع، يمكن ملاحظة أن _cp يتزايد مع زيادة درجة الحرارة. يقلل محتوى النحاس الإضافي من _cp ولا يمكن اكتشاف أي تأثير لهندسة الحشو. حتى أن الباحثين في LKT أكدوا أن الانخفاض في _cp مع زيادة محتوى النحاس يتبع قاعدة الخليط. ومع ذلك، قاموا بقياس _cp فقط عند درجة حرارة 25 درجة مئوية. تشير القياسات المعتمدة على درجة الحرارة الموضحة في الشكل 2 كذلك إلى أن ميل زيادة _cp مع درجة الحرارة ينخفض قليلًا كلما زاد عدد جزيئات النحاس في الخليط.

تؤكد القياسات أن التغير في _cp يمكن أن يسهم في زيادة مدخلات الطاقة المطلوبة أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، هناك حاجة إلى معلومات إضافية حول الموصلية الحرارية لتقييم تأثير كلا التأثيرين على الظروف الحرارية.

وتجدر الإشارة إلى أن هذا السلوك عالمي لجميع المواد البلاستيكية المعدلة بحشوات موصلة للحرارة. ولذلك، فهي كمية مهمة يجب قياسها للتصميم وكذلك محاكاة القولبة بالحقن للمشتتات الحرارية أو المكونات الأخرى اللازمة في الإدارة الحرارية.

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 المجالات البحثية الرئيسية الأخرى التصميم خفيف الوزن واللدائن البلاستيكية الحرارية الخفيفة 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.

^{1كثافة الطاقة}= مقدار الطاقة التي يحتويها النظام مقارنةً بحجمه