Как топлинната дифузия влияе на температурата на изграждане в процеса SLS

В предишна статия обяснихме мотивите за добавяне на проводящи пълнители към праховете PA12 и създаване на сложни компоненти за топлинно управление с процеса на селективно лазерно синтероване (SLS). Обяснихме и различните етапи на подготовка на пробите, които са от решаващо значение за качеството на резултатите.

Различни температури на печат за различни прахови смеси

Пробите са подготвени в рамките на проучване [1] от изследователи от Института по полимерни технологии (LKT) към Университета в Ерланген-Нюрнберг. Те са използвали различни смеси от медни сфери и люспи с различно съдържание: 5 и 10 обемни процента медни сфери и 5 обемни процента медни люспи. Енергийната плътност от 0,043 ^J/mm2 е поддържана постоянна за всички материали, за да се открият всякакви промени в поведението на процеса, дължащи се на пълнителите. За праха от PA12/Cu сфери експериментално е определена температура на вграждане от 167 °C. За сместа от PA12/Cu люспи температурата на вграждане трябваше да се увеличи до 173°C. Предполага се, че причината може да е по-високата топлопроводимост и по-ниският специфичен топлинен капацитет. Поради това следващият анализ може да се използва за подробно изследване на тези ефекти.

Как да анализираме топлинната дифузия

В NETZSCH Analyzing & Testing беше използван LFA 467 Hyperflash за измерване на термичната дифузия на тези различни смеси от PA12 прах с медни частици в сравнение с чистия материал PA12.

Кратък светлинен импулс нагрява долната повърхност на образеца и повишаването на температурата на задната повърхност се измерва като функция на времето с помощта на инфрачервен детектор.

Това се повтаря за всяка температурна стъпка, след като температурата на образеца се стабилизира и светкавичната лампа също се изстрелва няколко пъти в продължение на няколко минути.

Подготовката на пробите е много важна и е обяснена подробно тук.

След зареждане на пробите измерването започва, като се използват условията, обобщени в следната таблица:

Таблица 1: Условия на измерване

Как медните сфери влияят на топлинната дифузия

СофтуерътNETZSCH Proteus^® автоматично подбира подходящ модел към измерените данни, за да позволи изчисляването на полувремената, Фигура 1.

На фигура 2 е показана анализираната термична дифузия като функция на температурата и ориентацията на пробата за чистия PA12 в сравнение със смесите PA12/медна сфера.

Както се очакваше, чистите проби PA12 не показват насоченост и стойностите на термичната дифузия са най-ниски. Те показват типичното намаляване с увеличаване на температурата до температурата на топене.

Образците с 5 об. % Cu сфери показват малко по-високи стойности за термичната дифузия от чистия PA12, а образците с 10 об. % Cu сфери показват най-високи стойности от трите материала. Това се дължи на по-високата термична дифузия на медта в сравнение с изолационната матрица. При повечето образци не се наблюдава насоченост поради изотропните свойства на сферите. Въпреки това, за образеца с 10 обемни % Cu сфери в посока z на дебелината, термичната дифузия е малко по-ниска, отколкото за другите две посоки. Това вероятно е свързано с по-високата порьозност на тези образци, която е измерена от Lanzl и др [1]. Резултатите от LFA показват по-висока порьозност между слоевете в посока z, отколкото в рамките на един слой в равнината xy.

Как медните люспи влияят на топлинната дифузия

Различно поведение се наблюдава при медните люспи, както е показано на фигура 3, където са сравнени измерванията на топлинната дифузия на всички проби в посока x и на люспите в трите посоки.

Люспите показват много по-високи стойности на термичната дифузия в сравнение с другите смеси със сфери и чистия PA12. Високата степен на анизотропия се очаква въз основа на 2D характера на пълнителя. Най-високата термична дифузия е измерена в посока y, следвана от посока x. Най-ниските стойности се постигат чрез дебелината на слоя в посока z. Това показва по-висока преференциална ориентация в равнината xy, която вероятно се дължи на процеса на нанасяне на праха.

На фигура 4 е показано микроскопско изображение на напречното сечение на единичен слой от смес от PA12/Cu люспи, както е докладвано от Lanzl и др [1]. Изображението показва, че частиците се допират една до друга и следователно общото термично съпротивление на материала (или тук напречното сечение) трябва да бъде сведено до минимум. По-голямата част от пълнителите е ориентирана хоризонтално, което съответства на равнината xy. Въпреки това може да се види, че някои люспи са наклонени под ъгъл, което води до по-висока термична дифузия в посока z в сравнение с всички останали образци.

Измерванията на термичната дифузия дават значителна представа както за ориентацията на пълнителите, така и за тяхната близост един до друг, без да е необходимо допълнително оптично изобразяване.

Как да определим коефициента на топлопроводност

За по-нататъшен анализ или симулация, освен топлинната дифузия, a, е необходима и топлинната проводимост, l. За да се изчисли топлопроводността, са необходими специфичният 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}, и плътността, r:

λ(T)=a(T)_{∙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}(T)∙ρ(T)

Както топлопроводността, така и специфичният топлинен капацитет се измерват като функция на температурата. Тук са обяснени измерването и резултатите от измерването на _cp. Плътността обаче изисква повторно използване на плътността при стайна температура, както и на коефициента на термично разширение за изследвания температурен диапазон:

ρ(T)_=ρRT∙αv(T)

Плътността при стайна температура е измерена чрез метода на плаваемостта и флотацията с вода, а коефициентът на термично разширение, α, е измерен с термомеханичен анализатор (ТМА), който ще бъде обяснен в следваща статия. Коефициентът на разширение зависи от посоката и се изчислява, той се изчислява по следния начин

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

По-високо съдържание на мед = по-висока топлопроводимост

Получените изчислени стойности на коефициента на топлопроводност са показани на фигура 6 като функция на температурата за различните материали и смеси.

Наблюдават се същите тенденции, както при термичната дифузия:

• С увеличаване на съдържанието на мед топлопроводността се увеличава.
• Сферите от мед показват предимно изотропно поведение. Разликите в стойностите са свързани с порьозността на образците.
• Медните люспи показват най-голямо увеличение на топлопроводимостта, тъй като пълнителите частично се допират и намаляват съпротивлението на проводимост на композитния материал.
• Медните люспи показват анизотропно поведение, което се дължи на тяхната 2D геометрия и на процеса на нанасяне на праха.

Въпреки това намалената температурна зависимост, както и леката кривина при ниски температури, е свързана с температурната зависимост на 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}.

Оптимизиране на настройките на процеса въз основа на резултатите от анализа

За прилагането на такива проводящи пълнители в управлението на топлината е важно да се регулира ориентацията на 3D-отпечатаните части, за да се отчете всяка анизотропия, дължаща се на процеса на нанасяне на покритието и геометрията на пълнителя.

Що се отнася до настройките на процеса, и по-специално до температурата на изграждане, беше отбелязано, че сместа от люспи трябва да се обработва при температура на изграждане 173 °C, която е с 6 °C по-висока от тази на смесите със сфери. По-високата топлопроводимост и по-ниската специфична топлина водят до намалена способност за акумулиране на топлина в сместа и по-добро отвеждане на топлината. Особено в равнината xy, където са получени най-високите проводимости с Cu люспи, може да се очаква, че вложената от лазера енергия се разпределя по-бързо, което води до по-ниска температура. По този начин повишаването на температурата на изграждане противодейства на този ефект.

За по-добро разбиране на влиянието на различните форми на пълнителя върху вложената енергия Lanzl и др. анализират дебелината на един слой. Установено е, че дебелината на слоя на сместа с Cu люспи е значително по-тънка. Изследователите обясняват това с повишената топлопроводимост в равнината xy в сравнение с посоката на дебелината, а също и с повишеното дифузно отражение на лазера, което води до по-нисък енергиен вход. Този допълнителен анализ подчертава важността на разбирането на промените в топлинната дифузия и проводимост за всички аспекти на процеса SLS и най-подходящите настройки на процеса.

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.

Източници

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., Selective Laser Sintering of Copper Filled Polyamide 12: Characterization of Powder Properties and Process Behavior, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: Selective laser sintering of copper filled polyamide 12: Characterization of powder properties and process behavior - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library