Proč je vliv anizotropních plniv na tepelnou roztažnost závislý na procesu?

Jak se anizotropní plniva přizpůsobují aditivní výrobě

Při aditivní výrobě selektivním laserovým slinováním (SLS) nedochází k toku taveniny, ale prášku. Toto proudění prášku během procesu nanášení povlaku vyrovnává anizotropní plniva se směrem proudění prášku, který se běžně označuje jako směr x. V případě vláken to znamená, že většina vláken je zarovnána ve směru x, některá se mohou zarovnat ve směru y a jen velmi málo se jich může orientovat ve směru z. V případě vloček jsou rovnoměrně rozloženy v rovině xy a jen málo z nich se může orientovat ve směru tloušťky z. Tento efekt se liší např. od vstřikování a lze jej studovat a potvrdit pomocí optického zobrazování nebo nepřímých měření, jako je koeficient tepelné roztažnosti (Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE) nebo (α).

Stanovení orientace vláken měděných kuliček a vloček pomocí termické analýzy

Pro analýzu byly použity vzorky ze studie [1] Institutu technologie plastů (LKT) na Univerzitě Erlangen-Norimberk.

Výzkumníci vyrobili různé směsi prášku PA12 s izotropními měděnými kuličkami a anizotropními vločkami v různém obsahu (5 a 10 obj. % měděných kuliček a 5 obj. % měděných vloček), aby studovali jejich vhodnost pro zvýšení tepelné vodivosti materiálu. Na adrese NETZSCH Analyzing & Testing byly všechny vzorky analyzovány pomocí přístroje NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Pro stanovení součinitele tepelné roztažnosti (Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE) byly vzorky vyříznuty ze vzorků psí kosti ve třech různých směrech, obr. 1, ve směru x a y. V případě, že byly vzorky vyříznuty ve třech různých směrech, byly vzorky vyříznuty ve třech různých směrech: ve směru z: 10x5x4,5 ^mm3, ve směru z: 4.a v rozmezí 5 x 5 x 5 ^mm3.

Tepelná roztažnost byla měřena v rozmezí od -20 do 170 ºC při rychlosti ohřevu 5 K/min. Všechny podmínky měření jsou shrnuty v následující tabulce:

Tabulka 1: Podmínky měření

Srovnání neplněného a plněného prášku PA12

Obrázek 2 ukazuje výsledky pro neplněný PA12 a směs s izotropními plnivy.

Je vidět, že tepelná roztažnost je u naplněné soustavy menší než u nenaplněné soustavy, a to i přesto, že objemový obsah 5 % je docela small.

Při porovnání různých směrů zjistíme, že tepelná roztažnost ve směru tloušťky je u obou materiálů menší. Rozdíl je však ještě větší u vzorku plněného mědí. To lze vysvětlit odlišným tuhnutím a adhezí částic uvnitř vrstvy (v rovině xy) ve srovnání s adhezí mezi vrstvami. To se obvykle projevuje změnami mechanických vlastností, ale Lanzl et al. [1] to pozorovali také jako změnu pórovitosti. Protože výzkumníci zjistili, že pórovitost je vyšší u kompozitů plněných mědí, vysvětluje to také větší rozdíl mezi směrem z a xy. Stejný efekt byl pozorován i u skleněných kuliček jako izotropních plniv.

Porovnání různých objemových obsahů Cu kuliček

Srovnání různých objemových obsahů Cu kuliček je znázorněno na obrázku 3. Mezi vzorky nejsou pozorovány žádné významné změny.

Srovnání různých tvarů mědi

Srovnání různých tvarů mědi při stejném objemovém obsahu 5 % plniva je zobrazeno na obrázku 4.

Při stejném objemovém obsahu je směrovost zcela zřejmá. Cu koule vykazují izotropní chování. Oproti tomu vločky snižují Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE ve směru x a y a zvyšují ji ve směru z. Důvodem je uspořádání plniv. Během procesu nanášení povlaku jsou vločky zarovnány v rovině xy, a mají tak nejvýraznější účinek v těchto směrech. Nepřekračují však do sousedních vrstev ani nevykazují dostatečně výrazné vyrovnání ve směru z, aby mohly výrazně přispět k tepelné roztažnosti. Hodnota Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE ve směru tloušťky je téměř stejná jako u matricového materiálu PA12. Jak již bylo vysvětleno dříve, toto chování je přímým důsledkem zpracování a s tím souvisejícího vyrovnání plniv.

Lepší srovnání s koeficientem tepelné objemové roztažnosti

Pro porovnání obou materiálů je třeba vzít v úvahu koeficient tepelné objemové roztažnosti. Vzhledem k tomu, že oba vzorky mají stejný obsah mědi 5 % obj., měl by být objemový Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE přibližně stejný.

Pro izotropní materiály se objemová CTE vypočítá jako _αv = 3 _αl nebo _αv = 3 _αx

Pro anizotropní materiály je _αv dáno vztahem _αv = (_αx + _αy + _αz)

Na základě zde naměřených dat je _αv kompozitu s Cu kuličkami 482,^0×10-6 1/K a _αv kompozitu s Cu vločkami 464,^2×10-6 1/K, což ukazuje, že největší vliv má celkový obsah plniva, ale rozložení teplotní roztažnosti v různých směrech je silně ovlivněno tvarem plniva.

Zjišťování anizotropního chování materiálu pomocí LFA

Další metodou tepelné analýzy, která je užitečná pro odhalení anizotropního chování materiálů a pochopení jejich účinnosti pro aplikace tepelného managementu, je laserová blesková analýza (LFA ) pro měření tepelné difuzivity. V článcích se dočtete, jaké změny se zjišťují u dílů z PA12 s měděnými kuličkami a vločkami jako plnivy a jak se Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita, 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.měrná tepelná kapacita a CTE používají k výpočtu tepelné vodivosti.

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.

Přečtěte si také: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work (jak funguje selektivní laserové spékání)

Zdroje

[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