Πώς η ειδική θερμοχωρητικότητα των πληρωμένων σκονών επηρεάζει τις παραμέτρους επεξεργασίας SLS

Τέτοια συστήματα πλήρωσης είναι υλικά με υψηλότερη ηλεκτρική ή θερμική αγωγιμότητα, όπως το αλουμίνιο ή ο χαλκός. Εάν επιτευχθεί υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, είναι εφικτές εφαρμογές θερμικής διαχείρισης που μπορούν να ενισχυθούν περαιτέρω με τις πολύπλοκες γεωμετρίες που είναι δυνατές με το SLS. Ενώ η αλλαγμένη απόδοση είναι επιθυμητή στο τελικό εξάρτημα, η προσθήκη πληρωτικών υλικών στις σκόνες SLS έχει επίσης επίδραση στη συμπεριφορά επεξεργασίας και πρέπει να γίνει κατανοητή για την επιτυχή ολοκλήρωση μιας εργασίας κατασκευής.

Γιατί ο χαλκός είναι κατάλληλος

Πάρτε, για παράδειγμα, τον χαλκό ως ένα καλό υλικό που οδηγεί τη θερμότητα. Η ειδική θερμοχωρητικότητά του είναι της τάξης των 0,4 J/g×K. Η ανάμιξή του με σκόνη PA12 πρέπει να οδηγήσει σε μείωση της ειδικής θερμοχωρητικότητας του μείγματος. Επομένως, μειώνεται η ικανότητα του μείγματος να αποθηκεύει θερμότητα, η θερμότητα εκλύεται ταχύτερα και μπορεί να αλλάξει η θερμική ισορροπία μιας κατασκευής. Μάθετε περισσότερα σχετικά με τις μετρήσεις _cp σε μη γεμισμένες σκόνες PA12 εδώ!

Προετοιμασία των δειγμάτων για ανάλυση

Σε μια μελέτη στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών (LKT) του Πανεπιστημίου του Erlangen-Nuremberg, παράχθηκαν και επεξεργάστηκαν σε μια μηχανή EOS Formiga P110 διαφορετικά μείγματα σφαιρών και νιφάδων χαλκού σε διαφορετικές περιεκτικότητες. Τα δείγματα διέφεραν τόσο ως προς τη μορφή του πληρωτικού υλικού (σφαίρες και νιφάδες) όσο και ως προς την περιεκτικότητα σε όγκο (5 και 10 %).

Η ενεργειακή ^{πυκνότητα1} των 0,043 ^J/mm2 διατηρήθηκε σταθερή για όλα τα υλικά, ώστε να εντοπιστούν τυχόν αλλαγές στη συμπεριφορά της διεργασίας λόγω των πληρωτικών υλικών. Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας, δεν μπόρεσε να παραχθεί κανένα δείγμα με τις νιφάδες χαλκού 10 vol%. Η θερμοκρασία διεργασίας για το μείγμα με τις σφαίρες χαλκού προσδιορίστηκε στους 167°C και με τις νιφάδες χαλκού στους 173°C, αντίστοιχα.

Μέτρηση της ειδικής θερμοχωρητικότητας

Ένα NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της ειδικής θερμοχωρητικότητας _{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} ως συνάρτηση της θερμοκρασίας αυτών των διαφορετικών μειγμάτων σκόνης PA12 με σωματίδια χαλκού σε σύγκριση με το καθαρό υλικό PA12. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τις προδιαγραφές ASTM E1269 και ISO 11357-4.

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. Ο ακόλουθος πίνακας συνοψίζει τις συνθήκες μέτρησης.

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Ανάλυση των δεδομένων μέτρησης με ένα έξυπνο λογισμικό

Η ανάλυση στο NETZSCH Proteus^® λογισμικού παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Δείχνει τη "φαινομενική" ειδική θερμοχωρητικότητα ενός δείγματος PA12 με σφαιρίδια χαλκού 5 vol%, με επικάλυψη των αποτελεσμάτων για την τήξη 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.

Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται οι τιμές _{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} μετά την παρεμβολή και για τα τέσσερα δείγματα.

Όπως αναμενόταν, φαίνεται ότι το _cp αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η πρόσθετη περιεκτικότητα σε χαλκό μειώνει το _cp και δεν ανιχνεύεται καμία επίδραση της γεωμετρίας του πληρωτικού υλικού. Το researchers στην LKT επιβεβαίωσε ακόμη ότι η μείωση του _cp με την αύξηση της περιεκτικότητας σε χαλκό ακολουθεί τον κανόνα της μίξης. Ωστόσο, μέτρησαν μόνο το _cp στους 25°C. Οι μετρήσεις που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και παρουσιάζονται στο Σχήμα 2 δείχνουν επιπλέον ότι η κλίση της αύξησης του _cp με τη θερμοκρασία μειώνεται ελαφρώς όσο περισσότερα σωματίδια χαλκού υπάρχουν στο μίγμα.

Οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν ότι η αλλαγή του _cp μπορεί να συμβάλει στην υψηλότερη εισροή ενέργειας που απαιτείται κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση. Ωστόσο, απαιτούνται πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τη θερμική αγωγιμότητα για να αξιολογηθεί ο αντίκτυπος και των δύο επιδράσεων στις θερμικές συνθήκες.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή η συμπεριφορά είναι καθολική για όλα τα πλαστικά υλικά που έχουν τροποποιηθεί με θερμικά αγώγιμα πληρωτικά. Ως εκ τούτου, είναι ένα σημαντικό μέγεθος που πρέπει να μετρηθεί για τον σχεδιασμό καθώς και για την προσομοίωση της χύτευσης με έγχυση των ψύκτρων ή άλλων εξαρτημάτων που απαιτούνται στη θερμική διαχείριση.

Σχετικά με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών (LKT)

Το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών είναι ένα ακαδημαϊκό ινστιτούτοarch στο Πανεπιστήμιο Friedrich-Alexander του Erlangen-Nuremberg. Αποτελεί έναν από τους ηγέτες στον τομέα της Πρόσθετης Κατασκευής research- ιδιαίτερα στην SLS. Άλλοι κύριοι τομείς research περιλαμβάνουν τον σχεδιασμό ελαφρού βάρους και FRP, τα υλικά και την επεξεργασία, την τεχνολογία σύνδεσης και την τριβολογία. Εκτός από αυτές τις εστίες research, το ινστιτούτο εργάζεται επίσης σε διεπιστημονικά θέματα όπως η σύνθεση υλικών πλήρωσης, η προσομοίωση της επεξεργασίας και των εφαρμογών, τα θερμοπλαστικά που διασυνδέονται με ακτινοβολία, η ήπια επεξεργασία και πολλά άλλα.

^{1Πυκνότητα ενέργειας}= Πόση ενέργεια περιέχει ένα σύστημα σε σχέση με τον όγκο του