Hvordan den specifikke varmekapacitet for fyldte pulvere påvirker SLS-behandlingsparametre

Sådanne filler-systemer er materialer med 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 som f.eks. aluminium eller kobber. Hvis der opnås en højere 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.varmeledningsevne, er der mulighed for varmestyring, som kan forbedres yderligere med de komplekse geometrier, der er mulige med SLS. Mens den ændrede ydeevne er ønsket i den endelige komponent, har tilføjelse af fyldstoffer til SLS-pulver også en effekt på behandlingsadfærden og skal forstås for at afslutte et byggejob med succes.

Hvorfor kobber er velegnet

Tag for eksempel kobber, som er et godt varmeledende materiale. Dets specifikke varmekapacitet er i størrelsesordenen 0,4 J/g×K. Hvis det blandes med PA12-pulver, må det føre til en reduktion af blandingens specifikke varmekapacitet. Derfor reduceres blandingens evne til at lagre varme, varmen afgives hurtigere, og den termiske balance i en konstruktion kan ændres. Læs mere om _cp-målinger på ufyldte PA12-pulvere her!

Forberedelse af prøverne til analyse

I en undersøgelse på Institut for Polymerteknologi (LKT) ved Erlangen-Nürnberg Universitet blev forskellige blandinger af kobberkugler og -flager med varierende indhold fremstillet og behandlet i en EOS Formiga P110-maskine. Prøverne varierede både i form af fyldstof (kugler og flager) og i volumenindhold (5 og 10 %).

^{Energitætheden1} på 0,043 ^J/mm2 blev holdt konstant for alle materialer for at opdage eventuelle ændringer i procesadfærden på grund af fyldstofferne. Under bearbejdningen kunne der ikke produceres prøver med kobberflager på 10 volumenprocent. Procestemperaturen for blandingen med kobberkugler blev bestemt til at være henholdsvis 167 °C og 173 °C med kobberflager.

Måling af specifik varmekapacitet

En NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® blev brugt til at måle den specifikke varmekapacitet _{Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp} som en funktion af temperaturen for disse forskellige blandinger af PA12-pulver med kobberpartikler sammenlignet med det rene PA12-materiale. Målingerne blev udført i overensstemmelse med ASTM E1269 og ISO 11357-4.

Efter et indledende afkølingstrin til -25 °C blev temperaturen øget til 215 °C ved 10 K/min. To forskellige prøver blev målt, og gennemsnittet blev beregnet. Følgende tabel opsummerer målebetingelserne.

Tabel 1: Målebetingelser

Analyse af måledata med en smart software

Analysen i softwaren NETZSCH Proteus^® software er vist i figur 1. Den viser den "tilsyneladende" specifikke varmekapacitet for en PA12-prøve med 5 vol% kobberkugler, overlejret af effekterne for 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).smeltning og GlasovergangstemperaturGlasovergangen er en af de vigtigste egenskaber ved amorfe og semikrystallinske materialer, f.eks. uorganiske glas, amorfe metaller, polymerer, lægemidler og fødevareingredienser osv. og beskriver det temperaturområde, hvor materialernes mekaniske egenskaber ændres fra hårde og sprøde til mere bløde, deformerbare eller gummiagtige.glasovergang.

_Cp-dataene kan let udledes af denne kurve. Men i temperaturområdet mellem 90-190 °C modarbejder effekten af den stigende _{Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp} og den endoterme effekt af 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).smeltning hinanden. Derfor er værdierne i smelteområdet typisk interpolerede.

Figur 2 viser _{Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-værdierne} efter interpolationen for alle fire prøver.

Som forventet kan man se, at _cp stiger med stigende temperatur. Det ekstra kobberindhold reducerer _cp, og der kan ikke påvises nogen effekt af fyldstofgeometrien. Forskerne hos LKT bekræftede endda, at faldet i _cp med stigende kobberindhold følger blandingsreglen. De målte dog kun _cp ved 25 °C. De temperaturafhængige målinger, der er vist i figur 2, viser desuden, at hældningen af _{cp-stigningen} med temperaturen reduceres en smule, jo flere kobberpartikler der er i blandingen.

Målingerne bekræfter, at ændringen i _cp kan bidrage til det højere energiinput, der kræves under 3D-printning. Der er dog brug for yderligere oplysninger om varmeledningsevnen for at vurdere begge effekters indvirkning på de termiske forhold.

Det skal bemærkes, at denne adfærd er universel for alle plastmaterialer, der er modificeret med varmeledende fyldstoffer. Derfor er det en vigtig størrelse, der skal måles i forbindelse med design og sprøjtestøbningssimulering af kølelegemer eller andre komponenter, der er nødvendige til varmestyring.

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 fyldstoffer, simulering af forarbejdning og anvendelser, strålingskrydsbundet termoplast, skånsom forarbejdning og mange flere.

^{1Energitæthed}= Hvor meget energi et system indeholder i forhold til dets volumen