3D tisk: Kinetika krystalizace polyamidu 12 při selektivním laserovém spékání

Technologie PBF (Powder Bed Fusion), nazývaná také SLS (Selective Laser Sintering), je technologie konstrukce 3D objektů po vrstvách, kdy laserový paprsek selektivně sleduje předem definovanou oblast na vrstvě prášku. Laserový paprsek způsobí roztavení prášku a po nanesení další vrstvy (chladnějšího) prášku může zahájit krystalizaci. Tento proces se opakuje, dokud není vytvořen celý díl. Úplný popis procesu naleznete v článku na našem blogu o SLS [2].

Jedním z nejpoužívanějších materiálů je PA12, ale neustále se vyvíjejí jeho modifikace nebo jiné materiály s lepšími či odlišnými vlastnostmi.

Před prací s novým materiálem je velmi důležité znát krystalizační chování nového materiálu, aby bylo možné najít optimální teploty pro proces SLS. Tyto teploty jsou jedním z hlavních parametrů procesu spékání a ovlivňují rychlost spékání i kvalitu konečného výrobku. Běžný přístup založený na metodě pokus-omyl je časově velmi náročný, a tudíž nákladný. Naproti tomu kvalifikaci nového materiálu lze provést mnohem rychleji pomocí softwaru Kinetics Neo pro kinetické modelování rychlosti KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace na základě dat diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC), po němž následuje simulace procesu pro různé teplotní profily.

Nejprve se provede experimentální měření DSC , po němž následuje kinetická analýza těchto dat pro vytvoření kinetického modelu. Nakonec se model použije při simulaci různých teplotních scénářů zpracování s cílem najít nejoptimálnější.

Experimentální

DSC umožňuje stanovit teplotytání a krystalizace během zahřívání a ochlazování. Tyto teploty definují procesní okno pracovních teplot pro technologii SLS [1]. Tyto teploty však závisí na rychlosti ohřevu a chlazení, protože oba procesy jsou závislé na čase. Při nižších rychlostech ohřevu a chlazení se procesní okno zkrátí. To vyžaduje izotermická měření [2].

Izotermická měření poskytují informace o rychlosti izotermické KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace při různých teplotách. Tato rychlost KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace závisí na stupni přechlazení materiálu. Například čím nižší je teplota, tím vyšší je stupeň přechlazení, a tedy i rychlost KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace. Tato závislost je patrná na experimentálních měřeních pro PA12, provedených pomocí DSC 214 Polyma (obr. 1). Experimenty byly prováděny na vzorcích PA12 o hmotnosti přibližně 5 mg v hliníkové misce (Concavus^® Al) s uzavřeným víkem pod dusíkem. Zobrazený izotermický úsek sleduje rychlou chladicí rampu od teplot nad teplotou tání.

Kinetická analýza

Kinetická analýza měřeníizotermické KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace DSC při různých teplotách byla provedena pomocí softwaruNETZSCH Kinetics Neo . Ten poskytl jeden kinetický model závislý na čase a teplotě, který dokáže popsat všechny experimentální křivky při různých teplotách. Tento model počítá rychlost KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo. krystalizace pomocí kinetické rovnice:

V izotermické analýze KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo. krystalizace je první závislost obvykle reprezentována Avramiho rovnicí, která představuje rychlost KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo. krystalizace.

Rozšířenou verzí Avramiho rovnice (4, viz konec článku) je Sestakova-Berggrenova rovnice (5, viz konec článku). Tato rozšířená rovnice je použita v současné analýze, protože lépe odpovídá experimentálním údajům

Závislost K(T) v rovnici(1) je formální Arrheniova rovnice jako klesající funkce teploty s předexponentem A a zdánlivou aktivační energií E:

Tento kinetický model (rovnice 1) představuje závislost aktuální rychlosti KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo. krystalizace na teplotě a aktuálním stupni KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo. krystalizace.

Rovnice obsahují neznámé parametry, které jsou nalezeny softwarem za účelem určení nejlepší shody s experimentálními křivkami.

Pokud se tato simulace provede pro teplotní podmínky IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických experimentů s optimálními parametry, dojde k velmi dobré shodě mezi experimentem a simulací s^R2=0,998. Na obrázku 2 představují body experimentální data a plné čáry simulaci podle rovnic (1,3,4).

Simulace

Tento jediný model nyní funguje pro různé teploty. Proto jej lze použít pro simulaci KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace v procesu SLS. Teplotní profil povrchu prášku lze měřit po dobu trvání několika cyklů. Pro tuto vrstvu prášku pak můžeme spustit simulaci procesu KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace. Lze předpokládat, že každá spodní vrstva má podobný teplotní profil, ale s mírně sníženými teplotami v důsledku aplikace prášku pro každou vrstvu. Lze tedy simulovat proces KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace jedné vrstvy během několika laserových cyklů. Na obrázku 3 je znázorněna simulace stupně KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace během 5 cyklů, kdy pro každý nový cyklus nebo vrstvu byla teplota snížena o 2 K.

Vidíme, že jedna vrstva nemůže během časového omezení jednoho cyklu zcela vykrystalizovat, pokud se tato vrstva nachází na horní straně práškového lože. KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.Krystalizace však pokračuje po celou dobu procesu SLS, protože každý cyklus vytváří další vrstvy. KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.Krystalizace během několika cyklů je jednou z výhod SLS, kdy výsledný 3D objekt má velmi silnou adhezi vrstev a izotropní mechanické vlastnosti ve všech směrech, jako je tvrdost, pevnost v tahu a prodloužení [3].

Pokud se však tloušťka vrstvy prášku zvětší, bude teplotní rozdíl mezi vrstvami vyšší. K tomu může dojít při vysokorychlostním spékání. Simulace v průběhu 5 cyklů s teplotním rozdílem 5 K (obr. 4) ukazuje, že hlavní KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo. krystalizace je ukončena již během druhého cyklu, zatímco třetí vrstva je již pevná. Tato asynchronní KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo. krystalizace by mohla být příčinou mechanických napětí, deformací nebo kroucení vzorku v důsledku jeho smršťování během procesu SLS. Kromě toho by použití silných vrstev prášku mohlo snížit izotropii výsledného materiálu.

Závěr

Kombinace NETZSCH Kinetics Neo s DSC pomáhá studovat rychlost KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo. krystalizace materiálů (polymerů) a simulovat jejich chování při tak složitých průmyslových procesech, jako je 3D tisk pomocí technologie selektivního laserového spékání. To je velmi cenné pro hledání optimálních teplotních podmínek pro nové materiály používané při SLS.

Čtěte také / Zdroje:

1. https://ta-NETZSCH.com/how-to-determine-the-process-window-for-sls-powders-using-dsc
2. https://ta-NETZSCH.com/how-to-study-the-isothermal-crystallization-behavior-of-sls-powder-using-dsc
3. https://3dinsider.com/sls-printing/
4. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.03.034
5. https://doi.org/10.1016/0040-6031(71)85051-7