Μέτρηση της ειδικής θερμοχωρητικότητας για την προσομοίωση διεργασιών SLS

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας SLS (Select ive Laser Sintering), τα προηγουμένως λιωμένα στρώματα εξαφανίζονται στην κλίνη σκόνης που περιβάλλεται από μη πυροσυσσωματωμένη σκόνη. Ως εκ τούτου, είναι δύσκολο να μετρηθούν πληροφορίες σχετικά με το πεδίο θερμοκρασίας στα χαμηλότερα στρώματα. Έτσι, έχουν καταβληθεί σημαντικές προσπάθειες για τη μοντελοποίηση και προσομοίωση της διαδικασίας SLS. Δύο μεγέθη που είναι απαραίτητα για αυτό είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα (_{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp}) και η θερμική αγωγιμότητα (k) ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Όταν προστίθενται πληρωτικά υλικά, δεν αλλάζουν μόνο τον ρυθμό κρυστάλλωσης, αλλά απαιτούν επίσης υψηλότερη θερμοκρασία κατασκευής λόγω της αλλαγής των _{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp} και k.

Πώς να προσδιορίσετε την ειδική θερμοχωρητικότητα

Για τον προσδιορισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας ως συνάρτηση της θερμοκρασίας διαφόρων υλικών χρησιμοποιείται η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC ). Η θερμοχωρητικότητα ορίζεται ως η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας 1 g ουσίας κατά 1°C, ενώ η πίεση p διατηρείται σταθερή. Περιγράφεται από την εξίσωση αγωγής θερμότητας:

Σύμφωνα με το DIN EN ISO 11357-4 (και το ASTM E1269), το δείγμα μετράται σε σχέση με ένα δεύτερο δείγμα (αναφοράς) γνωστής θερμοχωρητικότητας. Ως εκ τούτου, ένα πείραμα αποτελείται από τρεις διαφορετικές εκτελέσεις στην περιοχή θερμοκρασιών που μας ενδιαφέρει. Η πρώτη είναι μια σάρωση με δύο άδεια δοχεία (βασική γραμμή), η δεύτερη μια σάρωση με ένα δοχείο που περιέχει το δείγμα ζαφείρι (αναφορά) και τέλος η τρίτη εκτέλεση με το πραγματικό δείγμα (δείγμα) στον ίδιο τύπο δοχείου.

Η _Cp ως συνάρτηση της θερμοκρασίας του δείγματος μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

Εκτέλεση μετρήσεων _cp σε δείγματα πολυμερούς σκόνης SLS

Σε αυτό το παράδειγμα πολυμερούς σκόνης, πιο συγκεκριμένα PA12, οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® σύμφωνα με το πρότυπο. Μετά από ένα αρχικό βήμα ψύξης στους -25°C, η θερμοκρασία αυξήθηκε στους 215°C με ταχύτητα 10 K/min. Μετρήθηκαν δύο διαφορετικά δείγματα και υπολογίστηκε ο μέσος όρος. Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Η ανάλυση στο NETZSCH Proteus^® λογισμικό παρουσιάζεται στο σχήμα 1. Δείχνει τη "φαινομενική" ειδική θερμοχωρητικότητα, η οποία επικαλύπτεται από την κορυφή τήξης και τη υαλώδη μετάβαση.

Τα δεδομένα _{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp} μπορούν εύκολα να εξαχθούν από αυτή την καμπύλη. Ωστόσο, στην περιοχή θερμοκρασιών μεταξύ 90-190°C, η επίδραση της αυξανόμενης _{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp} και η ενδόθερμη επίδραση της τήξης αντιτίθενται η μία στην άλλη. Ως εκ τούτου, οι τιμές στην περιοχή τήξης συνήθως παρεμβάλλονται. Στην περίπτωση του PA12 που παρουσιάζεται εδώ, η παρεμβολή θα γινόταν μεταξύ 90°C (2,348 J/gK) και 200°C (2,7 J/gK), οι οποίες υποδεικνύονται στο γράφημα. Οι τιμές μπορούν στη συνέχεια να εξαχθούν για μεταγενέστερη χρήση σε προσομοιώσεις υλικών και διεργασιών, π.χ. για το αρχείο θερμοκρασίας και τη στερεοποίηση στη διεργασία SLS. Μια άλλη εφαρμογή των δεδομένων είναι ο υπολογισμός της θερμικής αγωγιμότητας από δεδομένα θερμικής διάχυσης και πυκνότητας.