الطباعة ثلاثية الأبعاد: حركية تبلور مادة البولي أميد 12 أثناء التلبيد الانتقائي بالليزر

اندماج قاع المسحوق (PBF)، وتسمى أيضًا التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، هي تقنية بناء طبقة تلو الأخرى للأجسام ثلاثية الأبعاد، حيث يتتبع شعاع الليزر بشكل انتقائي فوق منطقة محددة مسبقًا على طبقة المسحوق. يتسبّب شعاع الليزر في ذوبان المسحوق وعند تطبيق الطبقة التالية من المسحوق (الأكثر برودة)، قد يبدأ التبلور. تتكرر هذه العملية حتى يتم إنشاء الجزء بالكامل. يمكن العثور على وصف كامل للعملية في مقال المدونة الخاص بنا عن SLS [2].

واحدة من أكثر المواد المستخدمة على نطاق واسع هي PA12، ولكن يتم باستمرار تطوير تعديلات أو مواد أخرى ذات خصائص محسنة أو مختلفة.

قبل العمل باستخدام مادة جديدة، من المهم جدًا معرفة سلوك التبلور للمادة الجديدة من أجل العثور على درجات الحرارة المثلى لعملية SLS. وتُعد درجات الحرارة هذه إحدى المعلمات الرئيسية لعملية التلبيد، وتؤثر على سرعة التلبيد وكذلك على جودة المنتج النهائي. إن نهج التجربة والخطأ الشائع يستغرق وقتًا طويلاً للغاية وبالتالي فهو مكلف للغاية. وفي المقابل، يمكن إجراء تأهيل مادة جديدة بشكل أسرع بكثير باستخدام برنامج Kinetics Neo للنمذجة الحركية لمعدل التبلور استنادًا إلى بيانات قياس المسح التفاضلي للسعرات الحرارية (DSC)، متبوعًا بمحاكاة العملية لملامح درجات الحرارة المختلفة.

أولاً، يتم إجراء قياسات DSC التجريبية، يليها تحليل الحركية على هذه البيانات لإنشاء النموذج الحركي. وأخيرًا، يتم استخدام النموذج عند محاكاة سيناريوهات مختلفة لدرجات حرارة المعالجة من أجل العثور على أفضلها.

تجريبي

يتيح DSC تحديد درجات حرارة الانصهاروالتبلور أثناء التسخين والتبريد. وتحدد درجات الحرارة هذه نافذة العملية لدرجات حرارة العمل لتقنية SLS [1]. ومع ذلك، تعتمد درجات الحرارة هذه على معدلات التسخين والتبريد لأن كلتا العمليتين تعتمدان على الوقت. بالنسبة لمعدلات التسخين والتبريد المنخفضة، سيتم تقليل نافذة العملية. وهذا يتطلب قياسات متساوية الحرارة [2].

توفر القياسات المتساوية الحرارة معلومات حول معدل التبلور المتساوي الحرارة عند درجات حرارة مختلفة. يعتمد معدل التبلور هذا على درجة التبريد الفائق للمادة. على سبيل المثال، كلما انخفضت درجة الحرارة، ارتفعت درجة التبريد الفائق وبالتالي ارتفع معدل التبلور. ويلاحظ هذا الاعتماد على القياسات التجريبية لمادة PA12، التي أجريت باستخدام DSC 214 Polyma (الشكل 1). وقد أُجريت التجارب على عينات PA12 بكتلة 5 مجم تقريبًا في وعاء من الألومنيوم(Concavus^® Al) بغطاء مغلق تحت النيتروجين. يتبع الجزء المتساوي الحرارة الموضح هنا منحدر تبريد سريع من درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الانصهار.

التحليل الحركي

تم إجراء التحليل الحركي لقياسات التبلورالمتساوي الحرارة DSC، عند درجات حرارة مختلفة، باستخدام برنامج NETZSCH Kinetics Neo. وقدم البرنامج نموذجًا حركيًا واحدًا يعتمد على الوقت ودرجة الحرارة، والذي يمكنه وصف جميع المنحنيات التجريبية تحت درجات حرارة مختلفة. يحسب هذا النموذج معدل التبلور بواسطة المعادلة الحركية:

في التحليل المتساوي الحرارة للتبلور، عادةً ما يتم تمثيل الاعتماد الأول بمعادلة أفرامي، والتي تمثل معدل تنوي التبلور.

النسخة الموسعة من معادلة أفرامي (4، انظر نهاية المقال) هي معادلة سيستاك-بيرغرين (5، انظر نهاية المقال). تُستخدم هذه المعادلة الموسّعة في التحليل الحالي لأنها توفر ملاءمة أفضل للبيانات التجريبية

إن الاعتماد K(T) في المعادل (1) هو معادلة أرهينيوس الرسمية كدالة تناقصية لدرجة الحرارة مع الأس المسبق A وطاقة التنشيط الظاهرية E:

يعرض هذا النموذج الحركي (Eq1) اعتماد معدل التبلور الحالي على درجة الحرارة ودرجة التبلور الحالية.

تحتوي المعادلات على معاملات غير معروفة، والتي يتم العثور عليها بواسطة البرنامج من أجل تحديد أفضل ملاءمة للمنحنيات التجريبية.

إذا أُجريت هذه المحاكاة لظروف درجة الحرارة للتجارب المتساوية الحرارة مع المعلمات المثلى، فسيكون هناك اتفاق جيد جدًا بين التجربة والمحاكاة مع ^R2=0.998. في الشكل 2، تمثل النقاط البيانات التجريبية والخطوط الصلبة المحاكاة وفقًا للمعادلات (1،3،4).

المحاكاة

يعمل هذا النموذج الوحيد الآن مع درجات حرارة مختلفة. لذلك، يمكن استخدامه لمحاكاة التبلور في عملية SLS. يمكن قياس ملف درجة حرارة سطح المسحوق على مدار مدة دورات متعددة. يمكننا بعد ذلك إجراء محاكاة لعملية التبلور لطبقة المسحوق هذه. يمكن افتراض أن كل طبقة سفلية لها ملف تعريف درجة حرارة مماثل، ولكن بدرجات حرارة منخفضة قليلاً بسبب تطبيق المسحوق لكل طبقة. وبالتالي، يمكن محاكاة عملية التبلور لطبقة واحدة خلال عدة دورات ليزر. يعرض الشكل 3 محاكاة درجة التبلور على مدار 5 دورات حيث يتم خفض درجة الحرارة لكل دورة أو طبقة جديدة بمقدار 2 كلفن.

نلاحظ أن طبقة واحدة لا يمكن أن تتبلور بالكامل خلال القيود الزمنية لدورة واحدة، عندما تكون هذه الطبقة أعلى طبقة المسحوق. ومع ذلك، يستمر التبلور طوال عملية SLS، حيث تنتج كل دورة طبقات أخرى. وتُعد التبلور خلال عدة دورات إحدى مزايا SLS، عندما يكون للجسم ثلاثي الأبعاد الناتج التصاق قوي جدًا بالطبقات وخصائص ميكانيكية متساوية الخواص في جميع الاتجاهات مثل الصلابة وقوة الشد والاستطالة [3].

ومع ذلك، إذا زادت سماكة طبقة المسحوق، فسيكون الفرق في درجة الحرارة بين الطبقات أعلى. يمكن أن يحدث هذا أثناء التلبيد عالي السرعة. تُظهر المحاكاة على مدى 5 دورات مع اختلاف في درجة الحرارة بمقدار 5 كلفن (الشكل 4) أن التبلور الرئيسي قد انتهى بالفعل خلال الدورة الثانية، في حين أن الطبقة الثالثة صلبة بالفعل. يمكن أن يكون هذا التبلور غير المتزامن هو السبب في الضغوط الميكانيكية أو الالتواء أو التجعد في العينة بسبب انكماشها أثناء عملية SLS. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي استخدام طبقات المسحوق السميكة إلى تقليل تساوي الخواص في المادة النهائية.

الخاتمة

يساعد الجمع بين NETZSCH Kinetics Neo مع DSC في دراسة معدل تبلور المواد (البوليمرات) ومحاكاة سلوكها لمثل هذه العمليات الصناعية المعقدة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر. وهذا أمر ذو قيمة كبيرة للبحث عن ظروف درجة الحرارة المثلى للمواد الجديدة المستخدمة في SLS.

اقرأ أيضًا / المصادر:

1. https://ta-NETZSCH.com/how-to-determine-the-process-window-for-sls-powders-using-dsc
2. https://ta-NETZSCH.com/how-to-study-the-isothermal-crystallization-behavior-of-sls-powder-using-dsc
3. https://3dinsider.com/sls-printing/
4. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.03.034
5. https://doi.org/10.1016/0040-6031(71)85051-7