لماذا يعتمد تأثير الحشوات متباينة الخواص على التمدد الحراري على العملية

كيفية محاذاة الحشوات متباينة الخواص في التصنيع الإضافي

في عملية التصنيع الإضافي للتلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، لا تحدث عمليات تدفق للمسحوق بل للمسحوق. يعمل هذا التدفق للمسحوق أثناء عملية الطلاء على محاذاة الحشوات متباينة الخواص مع اتجاه تدفق المسحوق، والذي يُشار إليه عادةً بالاتجاه السيني. في حالة الألياف، هذا يعني أن معظم الألياف تتم محاذاة معظمها في الاتجاه x، وقد تتم محاذاة بعضها في الاتجاه y وقد يتم توجيه القليل جدًا في الاتجاه z. في حالة الرقائق، يتم توزيعها بالتساوي في الاتجاه السيني وقد يتم توجيه القليل منها فقط في اتجاه السُمك، z. يختلف هذا التأثير عن، على سبيل المثال، عن القولبة بالحقن، ويمكن دراسته وتأكيده باستخدام التصوير البصري أو القياسات غير المباشرة مثل معامل التمدد الحراري (معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE) أو (α).

تحديد اتجاه ألياف الكرات والرقائق النحاسية بالتحليل الحراري

للتحليل، استُخدمت عينات من دراسة [1] لمعهد تكنولوجيا البلاستيك (LKT) في جامعة إرلانجن-نورمبرج.

أنتج الباحثون خلائط مختلفة من مسحوق PA12 مع كريات نحاسية متساوية الخواص ورقائق متباينة الخواص بمحتويات متفاوتة (5 و10% كريات نحاسية و10% من الكريات النحاسية و5% من رقائق النحاس) لدراسة مدى ملاءمتها لزيادة التوصيل الحراري للمادة. في شركة NETZSCH للتحليل والاختبار، تم تحليل جميع العينات باستخدام جهاز NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. لتحديد معامل التمدد الحراري (معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE)، تم قطع عينات من عينات عظام الكلاب في ثلاثة اتجاهات مختلفة، الشكل 1، الاتجاه x و y: 10 × 5 × 4.5 ^مم3، الاتجاه z: 4.5 × 5 × 5 × 5 ^مم3.

تم قياس التمدد الحراري في نطاق يتراوح من -20 إلى 170 درجة مئوية باستخدام معدل تسخين 5 كلفن/دقيقة. تم تلخيص جميع ظروف القياس في الجدول التالي:

الجدول 1: شروط القياس

المقارنة بين مسحوق PA12 غير المعبأ والمعبأ

يوضح الشكل 2 النتائج الخاصة بالمادة PA12 غير المملوءة والخليط مع الحشوات متساوية الخواص.

يمكن ملاحظة أن التمدد الحراري أصغر في النظام المملوء عن النظام غير المملوء حتى لو كان المحتوى الحجمي 5 فولت صغيرًا جدًا.

بمقارنة الاتجاهات المختلفة، نجد أن التمدد الحراري في اتجاه السُمك أقل لكلا المادتين. ومع ذلك، يكون الفرق أكبر بالنسبة للعينة المملوءة بالنحاس. يمكن تفسير ذلك باختلاف التصلب والالتصاق الجزيئي داخل الطبقة (في المستوى xy) مقارنةً بالالتصاق بين الطبقات. ويلاحظ ذلك عادةً من خلال التغيرات في الخواص الميكانيكية، ولكن لاحظ لانزل وآخرون [1] أيضًا تغيرًا في المسامية. وبما أن الباحثين وجدوا أن المسامية أعلى مع المركبات المملوءة بالنحاس، فإن ذلك يفسر أيضًا الفرق الأكبر بين الاتجاه z والاتجاه xy. لوحظ نفس التأثير مع الخرزات الزجاجية كمواد مالئة متساوية الخواص.

مقارنة المحتوى الحجمي المختلف لكرات النحاس النحاسية

تظهر المقارنة بين المحتويات الحجمية المختلفة لكرات النحاس في الشكل 3. لم يلاحظ أي تغيير كبير بين العينات.

مقارنة بين أشكال النحاس المختلفة

تُعرض في الشكل 4 مقارنة بين الأشكال المختلفة للنحاس عند نفس المحتوى الحجمي لمادة الحشو بنسبة 5 فولت في الشكل 4.

عند نفس المحتوى الحجمي، تصبح الاتجاهية واضحة تمامًا. تُظهر كرات النحاس سلوكًا متساوي الخواص. وبالمقارنة، تقلل الرقائق من معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE في الاتجاه x وy وتزيده في الاتجاه z. والسبب هو محاذاة الحشوات. أثناء عملية الطلاء، تتم محاذاة الرقائق في المستوى xy، وبالتالي يكون لها التأثير الأكثر وضوحًا في هذه الاتجاهات. ومع ذلك، فإنها لا تتقاطع مع الطبقات المجاورة أو تظهر محاذاة كبيرة بما يكفي في الاتجاه z لتساهم بشكل كبير في التمدد الحراري. تبلغ قيمة معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE في اتجاه السُمك تقريبًا قيمة مادة المصفوفة PA12. وكما أوضحنا سابقًا، فإن هذا السلوك هو نتيجة مباشرة للمعالجة واصطفاف الحشوات بسبب ذلك.

مقارنة أفضل مع معامل التمدد الحجمي الحراري

للمقارنة بين المادتين، يجب أخذ معامل التمدد الحجمي الحراري في الاعتبار. نظرًا لأن كلتا العينتين تحتويان على نفس محتوى النحاس بنسبة 5 فولت، يجب أن يكون معامل التمدد الحجمي للحجم متماثلًا تقريبًا.

بالنسبة للمواد متساوية الخواص يتم حساب معامل التمدد الزمني للحجم على أنه _αv = 3 _αl أو _αv = 3 _αx

بالنسبة للمواد متباينة الخواص الخواص فإن _αv يعطى _αv = (_αx + _αy + _αz)

باستخدام البيانات المقاسة هنا، فإن _αv للمركب مع كريات النحاس هو 482.^0×10-6 1/كلفن و _αv للمركب مع رقائق النحاس هو 464.^2×10-6 1/كلفن؛ مما يدل على أن المحتوى الكلي للحشو له التأثير الأكبر، لكن توزيع التمدد الحراري في اتجاهات مختلفة يتأثر بشدة بشكل الحشو.

الكشف عن سلوك المواد متباينة الخواص باستخدام LFA

هناك طريقة أخرى للتحليل الحراري مفيدة للكشف عن سلوك المواد متباينة الخواص وفهم فعاليتها في تطبيقات الإدارة الحرارية وهي تحليل الوميض بالليزر (LFA) لقياس الانتشار الحراري. اقرأ في المقالات ما هي التغيرات التي يتم اكتشافها في أجزاء PA12 مع كريات ورقائق النحاس كمواد مالئة وكيف يتم استخدام الانتشار الحراري والسعة الحرارية النوعية ومعامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTEلحساب الموصلية 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 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.

اقرأ أيضًا: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work

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 - Lanzl - 2019 - مركبات البوليمر - مكتبة ويلي على الإنترنت