Hvorfor effekten af anisotropiske fyldstoffer på termisk ekspansion er procesafhængig

Hvordan anisotrope fyldstoffer passer ind i additiv fremstilling

I den additive fremstillingsproces med selektiv lasersintring (SLS) sker der ingen flowprocesser af smelten, men af pulveret. Denne strømning af pulveret under belægningsprocessen justerer anisotrope fyldstoffer med pulverets strømningsretning, som almindeligvis betegnes som x-retning. I tilfælde af fibre betyder det, at de fleste af fibrene er justeret i x-retningen, nogle bliver måske justeret i y-retningen, og meget lidt bliver måske orienteret i z-retningen. Når det gælder flager, er de jævnt fordelt i xy-planet, og kun få kan blive orienteret i tykkelsesretningen, z. Denne effekt er forskellig fra f.eks. sprøjtestøbning og kan undersøges og bekræftes ved hjælp af optisk billeddannelse eller indirekte målinger som f.eks. varmeudvidelseskoefficienten (Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE) eller (α).

Bestemmelse af fiberorientering af kobberkugler og -flager med termisk analyse

Til analysen blev der brugt prøver fra en undersøgelse [1] fra Institute of Plastics Technology (LKT) ved University of Erlangen-Nuremberg.

Forskerne fremstillede forskellige blandinger af PA12-pulver med isotrope kobberkugler og anisotrope flager i varierende indhold (5 og 10 vol. % kobberkugler og 5 vol. % kobberflager) for at undersøge deres egnethed til at øge materialets 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. På NETZSCH Analyzing & Testing blev alle prøver analyseret ved hjælp af NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Til bestemmelse af varmeudvidelseskoefficienten (Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE) blev prøverne skåret ud af hundeknogler i tre forskellige retninger, figur 1, x- og y-retning: 10x5x4,5 ^mm3, z-retning: 4.5x5x5 ^mm3.

Illustration af et prøveemne til analyse af termisk ekspansion, der viser dimensioner og akser for pulverbelægning i additiv fremstilling.

Den termiske udvidelse blev målt i et område fra -20 til 170 ºC med en opvarmningshastighed på 5 K/min. Alle målebetingelser er opsummeret i følgende tabel:

Tabel 1: Målebetingelser

Prøveholder	Ekspansion, lavet af _SiO2
Belastning af prøve	50 mN
Atmosfære	He
Gasstrømningshastighed	50 ml/min
Temperaturområde	-20...170°C ved en opvarmningshastighed på 5 K/min

Sammenligning af ufyldt og fyldt PA12-pulver

Figur 2 viser resultaterne for den ufyldte PA12 og blandingen med isotrope fyldstoffer.

Målt termisk udvidelse af PA12 med 5 vol% Cu-kugler vs. ufyldt PA12, der viser retningsafhængige længdeændringer. — Figur 2: Målt længdeændring som funktion af temperaturen for den rene PA12-prøve sammenlignet med prøven med 5 vol% Cu-kugler i 3 forskellige retninger

Man kan se, at den termiske udvidelse er mindre for det fyldte system end for det ufyldte system, selv om volumenindholdet på 5 vol% er ret small.

Når vi sammenligner de forskellige retninger, finder vi, at den termiske udvidelse i tykkelsesretningen er lavere for begge materialer. Forskellen er dog endnu større for den kobberfyldte prøve. Dette kan forklares med den forskellige størkning og partikeladhæsion inden for et lag (i xy-planet) sammenlignet med adhæsionen mellem lagene. Dette observeres typisk ved ændringer i de mekaniske egenskaber, men blev også observeret af Lanzl et al. [1] som en ændring i porøsiteten. Da forskerne fandt ud af, at porøsiteten er højere i de kobberfyldte kompositter, forklarer det også den større forskel mellem z- og xy-retningen. Den samme effekt blev observeret med glasperler som isotropiske fyldstoffer.

Sammenligning af forskelligt volumenindhold af Cu-kugler

Sammenligningen mellem de forskellige volumenindhold af Cu-kugler er vist i figur 3. Der er ikke observeret nogen væsentlig ændring mellem prøverne.

HFM 446 fra Netzsch er en kompakt varmeledningsanalysator med digitalt display og papirudgang. — Figur 3: Målt længdeændring som funktion af temperaturen for de to prøver med 5 og 10 vol% Cu-kugler i 3 forskellige retninger

Sammenligning af forskellige kobberformer

Sammenligningen af forskellige kobberformer med det samme volumenindhold på 5 vol% fyldmateriale er vist i figur 4.

Målt længdeændring af PA12 med 5 vol% kobberkugler vs. flager på tværs af tre retninger, der illustrerer termisk ekspansionsadfærd. — Figur 4: Målt længdeændring som funktion af temperaturen for prøverne med henholdsvis 5 vol% Cu-kugler og -flager i 3 forskellige retninger

Ved samme volumenindhold bliver retningsbestemthed helt tydelig. Cu-kuglerne udviser isotropisk adfærd. Til sammenligning sænker flagerne Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE i x- og y-retningen og øger den i z-retningen. Årsagen er justeringen af fyldstofferne. Under belægningsprocessen er flagerne justeret i xy-planet og har dermed den mest udtalte effekt i disse retninger. De krydser dog ikke over i nabolagene eller viser en tilstrækkelig markant justering i z-retningen til at yde et stort bidrag til den termiske udvidelse. Værdien af Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE i tykkelsesretningen er næsten den samme som for matrixmaterialet PA12. Som forklaret tidligere er denne opførsel en direkte konsekvens af behandlingen og justeringen af fyldstoffer på grund af det.

Bedre sammenligning med den termiske volumenudvidelseskoefficient

For at sammenligne de to materialer skal der tages højde for den termiske volumenudvidelseskoefficient. Da begge prøver har det samme kobberindhold på 5 vol%, bør volumen-Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE'en være omtrent den samme.

For isotrope materialer beregnes volumen-Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE som _αv = 3 _αl eller _αv = 3 _αx

For anisotrope materialer er _αv givet ved _αv = (_αx + _αy + _αz)

Ved hjælp af de data, der er målt her, er _αv for kompositten med Cu-kugler 482,^0×10-6 1/K, og _αv for kompositten med Cu-flager er 464,^2×10-6 1/K, hvilket viser, at det samlede fyldstofindhold har den største indflydelse, men fordelingen af termisk udvidelse i forskellige retninger er stærkt påvirket af fyldstoffets form.

Opdagelse af anisotropisk materialeadfærd med LFA

En anden termisk analysemetode, der er nyttig til at opdage anisotropisk materialeadfærd og til at forstå deres effektivitet i forbindelse med termisk styring, er Laser Flash Analysis (LFA) til at måle den termiske diffusivitet. Læs i artiklerne, hvilke ændringer der opdages i PA12-dele med kobberkugler og -flager som fyldstoffer, og hvordan Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet, 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.specifik varmekapacitet og Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE bruges til at beregne den termiske ledningsevne.

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.

Læs også: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work

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: Selective laser sintering of copper filled polyamide 12: Characterization of powder properties and process behavior - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library