How Specific Heat Capacity of Filled Powders Affects SLS Processing Parameters

Takovými výplňovými systémy jsou materiály s vyšší elektrickou nebo tepelnou vodivostí, jako je hliník nebo měď. Pokud se dosáhne vyšší tepelné vodivosti, jsou na dosah aplikace tepelného managementu, které mohou být dále vylepšeny složitými geometriemi možnými pomocí SLS. Zatímco změněný výkon je u finální součásti žádoucí, přidávání plniv do prášků SLS má také vliv na chování při zpracování a je třeba mu porozumět, aby bylo možné sestavení úspěšně dokončit.

Proč je vhodná měď

Vezměme si například měď jako materiál, který dobře vede teplo. Její měrná tepelná kapacita se pohybuje kolem 0,4 J/g×K. Její smíchání s práškem PA12 musí vést ke snížení měrné tepelné kapacity směsi. Proto se snižuje schopnost směsi akumulovat teplo, teplo se rychleji odvádí a může dojít ke změně tepelné bilance stavby. Více informací o měření _cp u neplněných prášků PA12 najdete zde!

Příprava vzorků k analýze

Ve studii provedené v Institutu technologie polymerů (LKT) na Univerzitě Erlangen-Norimberk byly vyrobeny různé směsi měděných kuliček a vloček s různým obsahem a zpracovány na stroji EOS Formiga P110. Vzorky se lišily jak formou plniva (kuličky a vločky), tak objemovým obsahem (5 a 10 %).

Energetická ^hustota1 0,043 ^J/mm2 byla u všech materiálů udržována konstantní, aby bylo možné zjistit případné změny v chování procesu vlivem plniv. Během zpracování nebylo možné vyrobit žádné vzorky s 10 % obj. měděných vloček. Procesní teplota pro směs s měděnými kuličkami byla stanovena na 167 °C a s měděnými vločkami na 173 °C, resp.

Měření měrné tepelné kapacity

K měření měrné tepelné kapacity _{Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp} v závislosti na teplotě těchto různých směsí prášku PA12 s měděnými částicemi ve srovnání s čistým materiálem PA12 byl použit přístroj NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®. Měření byla provedena v souladu s normami ASTM E1269 a ISO 11357-4.

Po počátečním ochlazení na -25 °C se teplota zvyšovala na 215 °C rychlostí 10 K/min. Byly změřeny dva různé vzorky a vypočten průměr. Následující tabulka shrnuje podmínky měření.

Tabulka 1: Podmínky měření

Analýza naměřených dat pomocí chytrého softwaru

Analýza v NETZSCH Proteus^® je znázorněna na obrázku 1. Zobrazuje "zdánlivou" měrnou tepelnou kapacitu vzorku PA12 s 5 obj. % měděných kuliček, překrytou efekty pro tání a skelný přechod.

Z této křivky lze snadno odvodit údaje o _{Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp}. V teplotním rozmezí 90-190 °C se však vliv rostoucího _{Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp} a EndotermickéPřechod vzorku nebo reakce je endotermická, pokud je k přeměně zapotřebí tepla.endotermického účinku tání navzájem vylučují. Proto se hodnoty v oblasti tání obvykle interpolují.

Obrázek 2 ukazuje hodnoty _{Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp} po interpolaci pro všechny čtyři vzorky.

Podle očekávání je patrné, že _cp roste s rostoucí teplotou. Přídavný obsah mědi snižuje _cp a nelze zjistit žádný vliv geometrie plniva. Výzkumníci v LKT dokonce potvrdili, že pokles _cp se zvyšujícím se obsahem mědi se řídí pravidlem směsi. Měřili však _cp pouze při teplotě 25 °C. Měření v závislosti na teplotě uvedená na obr. 2 dále ukazují, že sklon nárůstu _cp s teplotou se mírně snižuje, čím více je ve směsi částic mědi.

Měření potvrzují, že změna _cp může přispívat k vyššímu energetickému příkonu potřebnému při 3D tisku. K vyhodnocení vlivu obou vlivů na tepelné podmínky je však třeba získat další informace o tepelné vodivosti.

Je třeba poznamenat, že toto chování je univerzální pro všechny plastové materiály modifikované tepelně vodivými plnivy. Proto je to důležitá veličina, kterou je třeba měřit pro návrh i simulaci vstřikování chladičů nebo jiných komponent potřebných v tepelném managementu.

O Ústavu technologie polymerů (LKT)

Institut technologie polymerů je akademický výzkumný ústav Univerzity Friedricha Alexandra v Erlangenu-Norimberku. Je jedním z lídrů v oblasti výzkumu aditivní výroby, zejména SLS. Mezi další hlavní oblasti výzkumu patří konstrukce lehkých materiálů a FRP, materiály a zpracování, technologie spojování a tribologie. Kromě těchto výzkumných zaměření se institut zabývá také mezioborovými tématy, jako je například míchání plniv, simulace zpracování a aplikací, radiačně zesítěné termoplasty, šetrné zpracování a mnoho dalších.

^{1Energetická}HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota = kolik energie obsahuje systém v porovnání s jeho objemem