How Fillers Affect the Crystallization Behavior of SLS Powders

Et krav kan være højere duktilitet (f.eks. PA11), andre kan være bedre dimensionsstabilitet (f.eks. tilsætning af glasperler), højere elektrisk eller Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.termisk ledningsevne (f.eks. fyldstoffer som aluminium eller kobber) eller øget stivhed og styrke (f.eks. tilsætning af glas- eller kulfibre).

Fyldstoffer fungerer som nukleationssteder

Tilsætning af fyldstoffer til SLS-pulver har typisk en effekt på krystalliseringsadfærden, da fyldstoffernes overflader fungerer som heterogene nukleationssteder. Ledende fyldstoffer kan også påvirke materialetemperaturen og derfor vise yderligere ændret adfærd. dynamiske DSC-målinger (Differential Scanning Calorimetry) kan give en første indikation af en ændret opførsel, som derefter kan analyseres yderligere gennem isotermiske målinger ved eller tæt på byggetemperaturen.

Tilføjelse af ledende kobberfyldstoffer

For at forstå effekten af ledende fyldstoffer eksperimenterede forskere ved Institut for Polymerteknologi (LKT) ved universitetet i Erlangen-Nürnberg med kobberfyldstoffer [1]. De brugte forskellige blandinger af kobberkugler og -flager (figur 1) i varierende indhold og analyserede forarbejdningsadfærden samt de resulterende ledende egenskaber med det formål at generere komplekse komponenter til varmestyring. En række prøver blev fremstillet ved at tilsætte kobberkugler i 5 og 10 vol% og kobberflager i 5 vol% til PA12-pulveret. Energitætheden på 0,043 ^J/mm2 blev holdt konstant for alle materialer for at opdage eventuelle ændringer i procesadfærden på grund af fyldstofferne.

Bestemmelse af procesvinduet og krystalliseringsadfærden for PA12-pulver med kobberpartikler

På NETZSCH Analyzing & Testing blev en DSC 214 Polyma brugt til at analysere procesvinduet og krystallisationsadfærden for disse forskellige blandinger af PA12-pulver med kobberpartikler sammenlignet med det rene PA12-materiale.

Til hver måling blev en prøve på 5 mg skåret ud og anbragt i en aluminiumspande med konkav bund (Concavus^®al) og lukket låg. Prøven blev afkølet fra stuetemperatur for at starte målingen ved -20 °C. Derefter blev den opvarmet til 200 °C med en opvarmningshastighed på 10 K/min og afkølet med samme afkølingshastighed på 10 K/min til -20 °C.

Følgende tabel opsummerer målebetingelserne.

Tabel 1: Målebetingelser

Resultaterne for den rene PA12 blev diskuteret i detaljer i dette tidligere blogindlæg!

Ændringer i krystalliseringsadfærd

I figur 2 er resultaterne af den^første opvarmning og afkøling vist for alle 4 prøver. Som det kan ses, påvirkes den maksimale Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur ikke af tilsætningen af fyldstoffer (forskellen i areal er relateret til det varierende indhold af fyldstoffer og blev ikke normaliseret i denne graf).

Det kan dog ses, at den maksimale krystallisationstemperatur samt starten på krystallisationen forskydes til højere temperaturer med stigende indhold af fyldstoffer.

Toppen flyttes fra 145,8 °C for det rene materiale til 149,1 °C for henholdsvis 5 volumenprocent kobberfyldstoffer og til 151,3 °C for 10 volumenprocent.

Det kan konkluderes, at fyldstofferne fungerer som nukleationssteder og fremskynder krystalliseringen. Dette fører til et lidt reduceret procesvindue og skal tages i betragtning under udvælgelsen af behandlingsbetingelserne.

En lignende effekt blev observeret af WILO SE, en førsteklasses leverandør af pumper og pumpesystemer til glas- og kulfibre. Læs casestudiet her!

Få en bedre forståelse af krystalliseringsadfærden

Yderligere undersøgelser af den isotermiske krystallisationsadfærd kan være nyttige for at forstå denne adfærd endnu bedre. En detaljeret beskrivelse af måleproceduren er givet her for ufyldt PA12-pulver.

Forskerne hos LKT udførte disse yderligere isotermiske undersøgelser ved 165 °C på de kobberfyldte prøver og fandt ud af, at krystalliseringshalveringstiden reduceres på grund af tilsætningen af fyldstoffer, hvilket yderligere bekræfter nukleationseffekten. Hele undersøgelsen kan findes her [Open Access]!

Om Institut for Polymerteknologi (LKT)

Instituttet for Polymerteknologi er et akademisk forskningsinstitut ved Friedrich-Alexander Universitetet i Erlangen-Nürnberg. Det er et af de førende inden for forskning i additiv fremstilling, især SLS. Andre vigtige forskningsområder omfatter letvægtsdesign og FRP, materialer og forarbejdning, sammenføjningsteknologi og tribologi. Ud over disse forskningsområder arbejder instituttet også med tværfaglige emner som f.eks. blanding af fyldmaterialer, simulering af forarbejdning og anvendelser, strålingskrydsbundet termoplast, skånsom forarbejdning og mange flere.

Kilder

[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.