06.04.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Dr. Stefan Schmölzer
قياس السعة الحرارية النوعية لمحاكاة عمليات SLS
لقد بُذلت جهود كبيرة لنمذجة ومحاكاة عملية التلبيد الانتقائي بالليزر حيث يصعب قياس المعلومات حول مجال درجة الحرارة في الطبقات السفلية. تعلم كيف يمكن أن تساعد السعة الحرارية النوعية!
أثناء عملية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، تختفي الطبقات المصهورة سابقًا في طبقة المسحوق المحاطة بمسحوق غير ملبد. لذلك، يصعب قياس المعلومات حول مجال درجة الحرارة في الطبقات السفلية. وبالتالي، بُذلت جهود كبيرة لنمذجة ومحاكاة عملية التلبيد الانتقائي بالليزر. هناك كميتان ضروريتان لهذا الغرض هما السعة الحرارية النوعية (cp) والتوصيل الحراري (k) كدالة لدرجة الحرارة. عند إضافة مواد مالئة، فإنها لا تغير معدل التبلور فحسب، بل تتطلب أيضًا درجة حرارة بناء أعلى بسبب التغير في cp و k.
كيفية تحديد السعة الحرارية النوعية
لتحديد السعة الحرارية النوعية كدالة لدرجات حرارة المواد المختلفة، يتم استخدام المسح الحراري التفاضلي (DSC). تُعرَّف السعة الحرارية بأنها كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جم من مادة 1 جرام بمقدار 1 درجة مئوية مع ثبات الضغط p. وتوصف بمعادلة التوصيل الحراري:
وفقًا للمعيار DIN EN ISO 11357-4 (و ASTM E1269)، يتم قياس العينة بالنسبة لعينة ثانية (مرجعية) ذات سعة حرارية معروفة. قد تكون العينة المرجعية النموذجية هي الياقوت الأزرق. لذلك، تتكون التجربة الواحدة من ثلاث تجارب مختلفة في نطاق درجة الحرارة محل الاهتمام. الأولى عبارة عن عملية مسح مع وعاءين فارغين (خط الأساس)، والثانية عملية مسح مع وعاء واحد يحتوي على عينة الياقوت (مرجعي)، وأخيرًا العملية الثالثة مع العينة الفعلية (العينة) في نفس نوع الوعاء.
يمكن حساب Cp كدالة لدرجة حرارة العينة على النحو التالي:
إجراء قياسات cp على عينات مسحوق البوليمر SLS
في هذا المثال الخاص بمسحوق البوليمر، وتحديدًا PA12، تم إجراء القياسات باستخدام جهاز NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® وفقًا للمعيار. 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. تم تلخيص جميع شروط القياس في الجدول التالي:
الجدول 1: شروط القياس
| عينة المقلاة | كونكافوس أل، غطاء مثقوب |
| وزن العينة | 11.55 مجم |
| مرجع المعايرة | الياقوت الأزرق |
| مرجع عموم | كونكافوس آل، غطاء مثقوب |
| الغلاف الجوي | N2 |
| معدل تدفق الغاز | 40 مل/دقيقة |
| درجة الحرارة | -25 ... 215 درجة مئوية عند 10 كلفن/دقيقة |
يظهر التحليل في برنامج NETZSCH Proteus® في الشكل 1. يُظهر السعة الحرارية النوعية "الظاهرية"، متراكبة مع ذروة 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. في حالة PA12 الموضحة هنا، يتم إجراء الاستيفاء بين 90 درجة مئوية (2.348 جول/ز ك) و200 درجة مئوية (2.7 جول/ز ك)، وهي المشار إليها في الرسم البياني. يمكن بعد ذلك تصدير القيم لاستخدامها لاحقًا في عمليات محاكاة المواد والعملية، على سبيل المثال، لدرجات الحرارة المودعة والتصلب في عملية SLS. تطبيق آخر للبيانات هو حساب الموصلية الحرارية من بيانات الانتشار الحراري والكثافة.