Защо влиянието на анизотропните пълнители върху топлинното разширение зависи от процеса

Как се подреждат анизотропните пълнители в адитивното производство

В процеса на адитивно производство чрез селективно лазерно синтероване (SLS) не се осъществява поток на стопилката, а на праха. Този поток на праха по време на процеса на нанасяне на покритието подрежда анизотропните пълнители по посока на потока на праха, която обикновено се обозначава като посока x. В случая с влакната това означава, че повечето от влакната са подравнени в посока x, някои могат да се подравнят в посока y и много малко могат да се ориентират в посока z. В случая с люспите те са равномерно разпределени в равнината xy и само няколко могат да се ориентират в посока на дебелината, z. Този ефект е различен от този например при шприцване и може да бъде изследван и потвърден с помощта на оптични изображения или косвени измервания, като например коефициента на термично разширение (Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE) или (α).

Определяне на ориентацията на влакната на медни сфери и люспи с помощта на термичен анализ

За анализа бяха използвани проби от изследване [1] на Института по технология на пластмасите (LKT) към Университета в Ерланген-Нюрнберг.

Изследователите са произвели различни смеси от PA12 прах с изотропни медни сфери и анизотропни люспи в различно съдържание (5 и 10 обемни процента медни сфери и 5 обемни процента медни люспи), за да изследват пригодността им за повишаване на топлопроводимостта на материала. В NETZSCH Analyzing & Testing всички образци бяха анализирани с помощта на NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. За определяне на коефициента на термично разширение (КТЕ) от образци от кучешки кости бяха изрязани образци в три различни посоки, фигура 1, посока x и y: 10x5x4,5 ^mm3, в посока z: 4.5х5х5 ^mm3.

Илюстрация на проба за анализ на термичното разширение, показваща размерите и осите на праховото покритие при адитивното производство.

Термичното разширение е измерено в диапазона от -20 до 170 ºC при скорост на нагряване 5 K/min. Всички условия на измерване са обобщени в следната таблица:

Таблица 1: Условия на измерване

Държач на образеца	Разширение, изработено от _SiO2
Натоварване на образеца	50 mN
Атмосфера	He
Дебит на газа	50 ml/min
Температурен диапазон	-20...170°C при скорост на нагряване 5 K/min

Сравняване на ненапълнен и напълнен прах PA12

На фигура 2 са показани резултатите за ненапълнения PA12 и сместа с изотропни пълнители.

Измерено термично разширение на PA12 с 5 об. % Cu сфери спрямо ненапълнен PA12, показващо зависими от посоката промени в дължината. — Фигура 2: Измерено изменение на дължината като функция на температурата на чистия образец PA12 в сравнение с образеца с 5 обемни % Cu сфери в 3 различни посоки

Може да се види, че топлинното разширение е по-малко за напълнената система, отколкото за ненапълнената, въпреки че обемното съдържание от 5 % е доста small.

Сравнявайки различните посоки, установяваме, че топлинното разширение в посока на дебелината е по-малко и за двата материала. Разликата обаче е още по-голяма за напълнения с мед образец. Това може да се обясни с различното втвърдяване и сцепление на частиците в рамките на един слой (в равнината xy) в сравнение със сцеплението между слоевете. Обикновено това се наблюдава чрез промени в механичните свойства, но е наблюдавано и от Lanzl et al. [1] като промяна в порьозността. Тъй като изследователите са установили, че порьозността е по-висока при композитите с меден пълнеж, това обяснява и по-голямата разлика между направлението z и xy. Същият ефект е наблюдаван и при стъклените топчета като изотропен пълнител.

Сравняване на различно обемно съдържание на Cu сфери

Сравнението между различните обемни съдържания на медни сфери е показано на фигура 3. Не се наблюдава значителна промяна между пробите.

HFM 446 от Netzsch, компактен анализатор на топлопроводимостта, разполага с цифров дисплей и хартиен изход. — Фигура 3: Измерено изменение на дължината като функция на температурата на двата образеца с 5 и 10 об. % Cu сфери в три различни посоки

Сравнение на различни форми на медта

Сравнението на различните форми на медта при едно и също обемно съдържание на пълнител от 5 % е показано на фигура 4.

Измерено изменение на дължината на PA12 с 5 об. % медни сфери спрямо люспи в три посоки, илюстриращо поведението при термично разширение. — Фигура 4: Измерено изменение на дължината като функция на температурата на образците с 5 обемни % Cu сфери и люспи, съответно в 3 различни посоки

При същото обемно съдържание насочеността става съвсем очевидна. Сферите от Cu показват изотропно поведение. За сравнение, люспите понижават СТЕ в посока x и y и я увеличават в посока z. Причината е в подреждането на пълнителите. По време на процеса на нанасяне на покритието люспите се подреждат в равнината xy, като по този начин имат най-изразен ефект в тези посоки. Те обаче не преминават в съседните слоеве и не показват достатъчно значително подравняване в посока z, за да имат огромен принос за топлинното разширение. Стойността на СТЕ в посока на дебелината е почти същата като тази на матричния материал PA12. Както беше обяснено по-рано, това поведение е пряко следствие от обработката и подреждането на пълнителите в резултат на това.

По-добро сравнение с коефициента на топлинно обемно разширение

За да се сравнят двата материала, трябва да се вземе предвид коефициентът на термично обемно разширение. Тъй като и двата образеца имат еднакво съдържание на мед от 5 об. %, обемното СТЕ трябва да е приблизително еднакво.

За изотропни материали обемното СТЕ се изчислява като _αv = 3 _αl или _αv = 3 _αx

За анизотропни материали _αv се определя от _αv = (_αx + _αy + _αz)

Като се използват измерените тук данни, _αv на композита с Cu сфери е 482,^0×10-6 1/K, а _αv на композита с Cu люспи е 464,^2×10-6 1/K, което показва, че общото съдържание на пълнителя има най-голямо влияние, но разпределението на топлинното разширение в различните посоки се влияе силно от формата на пълнителя.

Откриване на анизотропното поведение на материала с LFA

Друг метод за термичен анализ, който е полезен за откриване на анизотропното поведение на материалите и за разбиране на тяхната ефективност за приложения за топлинно управление, е лазерният анализ (LFA ) за измерване на термичната дифузия. Прочетете в статиите какви промени се откриват в части от PA12 с медни сфери и люспи като пълнители и как термичната дифузия, специфичният топлинен капацитет и Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE се използват за изчисляване на топлопроводимостта.

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.

Прочетете също: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work

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