Как специфичният топлинен капацитет на напълнените прахове влияе върху параметрите на SLS обработката

Такива системи за пълнеж са материали с по-висока електро- или топлопроводимост, като алуминий или мед. Ако се постигне по-висока топлопроводимост, се постигат приложения за управление на топлината, които могат да бъдат допълнително подобрени чрез сложните геометрии, възможни при SLS. Макар че променените характеристики са желани в крайния компонент, добавянето на пълнители към SLS праховете също оказва влияние върху поведението при обработка и трябва да бъде разбрано, за да се завърши успешно задачата за изграждане.

Защо медта е подходяща

Да вземем например медта като добър топлопроводящ материал. Нейният специфичен топлинен капацитет е от порядъка на 0,4 J/g×K. Смесването ѝ с PA12 прах трябва да доведе до намаляване на специфичния топлинен капацитет на сместа. Следователно способността на сместа да акумулира топлина се намалява, топлината се отделя по-бързо и топлинният баланс на конструкцията може да се промени. Научете повече за измерванията на _cp на ненапълнени PA12 прахове тук!

Подготовка на пробите за анализ

При проучване в Института по полимерни технологии (LKT) към Университета в Ерланген-Нюрнберг са произведени и обработени различни смеси от медни сфери и люспи с различно съдържание в машина EOS Formiga P110. Пробите се различаваха както по формата на пълнителя (сфери и люспи), така и по обемното съдържание (5 и 10 %).

Енергийната ^{плътност1} от 0,043 ^J/mm2 беше поддържана постоянна за всички материали, за да се открият всякакви промени в поведението на процеса, дължащи се на пълнителите. По време на обработката не могат да се получат образци с 10 обемни % медни люспи. Температурата на процеса за сместа с медни сфери е определена съответно на 167°C, а с медни люспи - на 173°C.

Измерване на специфичния топлинен капацитет

За измерване на специфичния топлинен капацитет _{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp} като функция на температурата на тези различни смеси от PA12 прах с медни частици в сравнение с чистия PA12 материал е използван NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®. Измерванията са извършени в съответствие с ASTM E1269 и ISO 11357-4.

След първоначална стъпка на охлаждане до -25 °C, температурата е увеличена до 215 °C с 10 K/min. Бяха измерени два различни образеца и беше изчислена средната стойност. В следващата таблица са обобщени условията на измерване.

Таблица 1: Условия на измерване

Анализиране на данните от измерванията с интелигентен софтуер

Анализът в NETZSCH Proteus^® е показан на фигура 1. Тя показва "видимия" специфичен топлинен капацитет на проба от PA12 с 5 обемни процента медни сфери, наложен от ефектите за топене и стъклопреход.

Данните за _{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp} могат лесно да бъдат изведени от тази крива. Въпреки това в температурния диапазон между 90-190 °C ефектът на нарастващото _{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp} и ендотермичният ефект на топенето се противопоставят един на друг. Затова стойностите в диапазона на топене обикновено се интерполират.

На фигура 2 са показани стойностите на _{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp} след интерполация за четирите образеца.

Както се очакваше, може да се види, че _cp нараства с увеличаване на температурата. Допълнителното съдържание на мед намалява _cp и не може да се открие ефект от геометрията на пълнителя. Изследователите от LKT дори потвърждават, че намаляването на _cp с увеличаване на съдържанието на мед следва правилото на сместа. Те обаче измерват _cp само при 25°C. Температурнозависимите измервания, показани на фигура 2, показват още, че наклонът на нарастване на _cp с температурата леко намалява, колкото повече медни частици има в сместа.

Измерванията потвърждават, че промяната в _cp може да допринесе за по-високия разход на енергия, необходим по време на 3D принтирането. Необходима е обаче допълнителна информация за топлопроводимостта, за да се оцени въздействието на двата ефекта върху топлинните условия.

Трябва да се отбележи, че това поведение е универсално за всички пластмасови материали, модифицирани с топлопроводими пълнители. Поради това то е важна величина, която трябва да се измерва при проектирането, както и при симулацията на шприцване на радиатори или други компоненти, необходими за топлинното управление.

За Института по полимерни технологии (LKT)

Институтът по полимерни технологии е академичен изследователски институт към Университета "Фридрих-Александър" в Ерланген-Нюрнберг. Той е един от лидерите в изследванията в областта на адитивното производство, по-специално SLS. Други основни изследователски области включват олекотен дизайн и FRP, материали и обработка, технология на съединяване и трибология. В допълнение към тези изследователски фокуси, институтът работи и по интердисциплинарни теми като комбиниране на пълнителни материали, симулация на обработката и приложения, радиационно омрежени термопласти, щадяща обработка и много други.

^{1Енергийна}плътност = Колко енергия съдържа една система в сравнение с нейния обем