Πώς η θερμική διάχυση επηρεάζει τη θερμοκρασία κατασκευής στη διαδικασία SLS

Σε προηγούμενο άρθρο, εξηγήσαμε το κίνητρο για την προσθήκη αγώγιμων πληρωτικών υλικών σε σκόνες PA12 και τη δημιουργία σύνθετων εξαρτημάτων για θερμική διαχείριση με τη διαδικασίαSelect ive Laser Sintering (SLS). Εξηγήσαμε επίσης τα διάφορα στάδια της προετοιμασίας του δείγματος, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την ποιότητα των αποτελεσμάτων.

Διαφορετικές θερμοκρασίες εκτύπωσης για διαφορετικά μείγματα σκόνης

Τα δείγματα παρασκευάστηκαν στο πλαίσιο μελέτης [1] της researcτης στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών (LKT) του Πανεπιστημίου Erlangen-Nuremberg. Χρησιμοποίησαν διαφορετικά μείγματα σφαιρών και νιφάδων χαλκού σε διαφορετικές περιεκτικότητες: 5 και 10 vol% σφαίρες χαλκού και 5 vol% νιφάδες χαλκού. Η ενεργειακή πυκνότητα 0,043 ^J/mm2 διατηρήθηκε σταθερή για όλα τα υλικά, ώστε να εντοπιστούν τυχόν αλλαγές στη συμπεριφορά της διεργασίας λόγω των πληρωτικών υλικών. Για τη σκόνη PA12/Cu spheres, προσδιορίστηκε πειραματικά μια θερμοκρασία κατασκευής 167°C. Για το μείγμα νιφάδων PA12/Cu, η θερμοκρασία κατασκευής έπρεπε να αυξηθεί στους 173°C. Θεωρήθηκε ότι η υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και η χαμηλότερη ειδική θερμοχωρητικότητα θα μπορούσαν να είναι η αιτία. Ως εκ τούτου, η ακόλουθη ανάλυση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λεπτομερή διερεύνηση αυτών των επιδράσεων.

Πώς να αναλύσετε τη θερμική διαχυτότητα

Στο NETZSCH Analyzing & Testing, ένα LFA 467 Hyperflash χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της θερμικής διαχυτότητας αυτών των διαφορετικών μειγμάτων σκόνης PA12 με σωματίδια χαλκού σε σύγκριση με το καθαρό υλικό PA12.

Ένας σύντομος παλμός φωτός θερμαίνει την κάτω επιφάνεια του δείγματος και η αύξηση της θερμοκρασίας στην πίσω επιφάνεια μετράται σε συνάρτηση με το χρόνο με τη χρήση ανιχνευτή IR.

Αυτό επαναλαμβάνεται για κάθε βήμα θερμοκρασίας αφού σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία του δείγματος και η λάμπα φλας πυροδοτείται επίσης αρκετές φορές σε διάστημα λεπτών.

Η προετοιμασία των δειγμάτων είναι πολύ σημαντική και εξηγείται λεπτομερώς εδώ.

Μετά τη φόρτωση των δειγμάτων, η μέτρηση ξεκινά με τις συνθήκες που συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Πώς οι σφαίρες χαλκού επηρεάζουν τη θερμική διαχυτότητα

Το λογισμικόNETZSCH Proteus^® προσαρμόζει αυτόματα ένα κατάλληλο μοντέλο στα μετρούμενα δεδομένα, ώστε να είναι δυνατός ο υπολογισμός των χρόνων ημίσειας ζωής, Σχήμα 1.

Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η αναλυθείσα θερμική διαχυτότητα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και του προσανατολισμού του δείγματος για το καθαρό PA12 σε σύγκριση με τα μείγματα PA12/σφαίρα χαλκού.

Όπως αναμενόταν, τα καθαρά δείγματα PA12 δεν παρουσιάζουν καμία κατευθυντικότητα και οι τιμές της θερμικής διαχυτότητας είναι οι χαμηλότερες. Παρουσιάζουν την τυπική μείωση με την αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι τη θερμοκρασία τήξης.

Τα δείγματα με 5 vol% σφαιρίδια Cu παρουσιάζουν ελαφρώς υψηλότερες τιμές για τη θερμική διαχυτότητα από το καθαρό PA12 και τα δείγματα με 10 vol% σφαιρίδια Cu παρουσιάζουν τις υψηλότερες τιμές από τα τρία υλικά. Αυτό είναι αποτέλεσμα της υψηλότερης θερμικής διαχυτικότητας του χαλκού σε σύγκριση με τη μονωτική μήτρα. Για τα περισσότερα δείγματα δεν παρατηρείται κατευθυντικότητα λόγω των ισοτροπικών ιδιοτήτων των σφαιρών. Ωστόσο, για το δείγμα με σφαιρίδια Cu 10 vol% στη διεύθυνση z του πάχους, η θερμική διαχυτότητα είναι ελαφρώς χαμηλότερη από ό,τι για τις άλλες δύο διευθύνσεις. Αυτό πιθανότατα σχετίζεται με το υψηλότερο πορώδες αυτών των δειγμάτων, το οποίο μετρήθηκε από τους Lanzl κ.ά. [1]. Τα αποτελέσματα της LFA υποδεικνύουν υψηλότερο πορώδες μεταξύ στρωμάτων στη διεύθυνση z απ' ό,τι εντός ενός στρώματος στο επίπεδο xy.

Πώς οι νιφάδες χαλκού επηρεάζουν τη θερμική διαχυτότητα

Διαφορετική συμπεριφορά παρατηρείται με τις νιφάδες χαλκού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, όπου συγκρίνονται οι μετρήσεις της θερμικής διαχυτότητας όλων των δειγμάτων στη διεύθυνση x και των νιφάδων και στις τρεις διευθύνσεις.

Οι νιφάδες παρουσιάζουν πολύ υψηλότερες τιμές για τη θερμική διαχυτότητα από ό,τι τα άλλα μείγματα με σφαίρες και το καθαρό PA12. Ο υψηλός βαθμός ανισοτροπίας αναμένεται με βάση τον δισδιάστατο χαρακτήρα του πληρωτικού υλικού. Η υψηλότερη θερμική διαχυτότητα μετράται στη διεύθυνση y και ακολουθεί η διεύθυνση x. Οι χαμηλότερες τιμές επιτυγχάνονται μέσω του πάχους ενός στρώματος στην κατεύθυνση z. Αυτό υποδηλώνει υψηλότερο προτιμησιακό προσανατολισμό στο επίπεδο xy, ο οποίος πιθανώς οφείλεται στη διαδικασία εφαρμογής της σκόνης.

Στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται μια εικόνα μικροσκοπίας της διατομής ενός μόνο στρώματος του μίγματος νιφάδων PA12/Cu, όπως αναφέρθηκε από τους Lanzl κ.ά. [1]. Η εικόνα δείχνει ότι τα σωματίδια αγγίζουν το ένα το άλλο και επομένως, η συνολική θερμική αντίσταση του υλικού (ή εδώ της διατομής) θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί. Η πλειονότητα των πληρωτικών υλικών είναι προσανατολισμένη οριζόντια, η οποία αντιστοιχεί στο επίπεδο xy. Ωστόσο, φαίνεται ότι ορισμένες νιφάδες έχουν κλίση υπό γωνία, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την υψηλότερη θερμική διαχυτότητα στην κατεύθυνση z σε σύγκριση με όλα τα άλλα δείγματα.

Οι μετρήσεις της θερμικής διαχυτότητας παρέχουν σημαντική εικόνα τόσο για τον προσανατολισμό των πληρωτικών υλικών όσο και για την εγγύτητά τους μεταξύ τους, χωρίς την ανάγκη πρόσθετης οπτικής απεικόνισης.

Πώς να προσδιορίσετε τη θερμική αγωγιμότητα

Για περαιτέρω ανάλυση ή προσομοίωση, εκτός από τη θερμική διάχυση, a, απαιτείται και η θερμική αγωγιμότητα, l. Για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας απαιτούνται 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 πυκνότητα, r:

λ(T)=a(T)_{∙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}(T)∙ρ(T)

Τόσο η θερμική αγωγιμότητα όσο και η ειδική θερμοχωρητικότητα μετρώνται ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Η μέτρηση και τα αποτελέσματα των μετρήσεων της _cp εξηγούνται εδώ. Ωστόσο, για την πυκνότητα απαιτείται η επαναχρησιμοποίηση της πυκνότητας σε θερμοκρασία δωματίου καθώς και του συντελεστή θερμικής διαστολής για το υπό εξέταση εύρος θερμοκρασιών:

ρ(T)_=ρRT∙αv(T)

Η πυκνότητα σε θερμοκρασία δωματίου μετρήθηκε με τη μέθοδο άντωσης-πλεύσης με νερό, ο συντελεστής θερμικής διαστολής, α, μετράται με έναν θερμομηχανικό αναλυτή (TMA), ο οποίος θα εξηγηθεί σε επόμενο άρθρο. Ο συντελεστής διαστολής εξαρτάται από τη διεύθυνση και υπολογίζεται, υπολογίζεται ως εξής

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

Υψηλότερη περιεκτικότητα σε χαλκό = Υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα

Οι προκύπτουσες υπολογισμένες τιμές θερμικής αγωγιμότητας απεικονίζονται στο Σχήμα 6 ως συνάρτηση της θερμοκρασίας για τα διάφορα υλικά και μείγματα.

Παρατηρούνται οι ίδιες τάσεις που παρατηρήθηκαν για τη θερμική διαχυτότητα:

• Με την αύξηση της περιεκτικότητας σε χαλκό, η θερμική αγωγιμότητα αυξάνεται.
• Οι σφαίρες Cu παρουσιάζουν κυρίως ισοτροπική συμπεριφορά. Οι διαφορές στις τιμές σχετίζονται με το πορώδες των δειγμάτων.
• Οι νιφάδες χαλκού παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας, καθώς τα πληρωτικά υλικά αγγίζουν εν μέρει και μειώνουν την αντίσταση αγωγιμότητας του σύνθετου υλικού.
• Οι νιφάδες χαλκού παρουσιάζουν ανισοτροπική συμπεριφορά λόγω της δισδιάστατης γεωμετρίας τους και της διαδικασίας εφαρμογής σκόνης.

Ωστόσο, η μειωμένη εξάρτηση από τη θερμοκρασία καθώς και η ελαφρά καμπυλότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες σχετίζονται με τη θερμοκρασιακή εξάρτηση των τιμών _{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}.

Βελτιστοποίηση των ρυθμίσεων της διαδικασίας με βάση τα αποτελέσματα της ανάλυσης

Για την εφαρμογή τέτοιων αγώγιμων πληρωτικών υλικών στη θερμική διαχείριση, είναι σημαντικό να προσαρμόζεται ο προσανατολισμός των τρισδιάστατα εκτυπωμένων εξαρτημάτων, ώστε να λαμβάνεται υπόψη τυχόν ανισοτροπία λόγω της διαδικασίας επικάλυψης και της γεωμετρίας του πληρωτικού υλικού.

Όσον αφορά τις ρυθμίσεις της διαδικασίας και ειδικότερα τη θερμοκρασία κατασκευής, παρατηρήθηκε ότι το μείγμα των νιφάδων έπρεπε να υποβληθεί σε επεξεργασία σε θερμοκρασία κατασκευής 173°C, η οποία ήταν 6°C υψηλότερη από τα μείγματα με σφαίρες. Η υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και η χαμηλότερη ειδική θερμότητα οδηγούν αμφότερα σε μειωμένη ικανότητα αποθήκευσης θερμότητας στο μείγμα και καλύτερη απόρριψη της θερμότητας. Ειδικά στο επίπεδο xy, όπου επιτεύχθηκαν οι υψηλότερες αγωγιμότητες με νιφάδες Cu, αναμένεται ότι η εισερχόμενη ενέργεια από το λέιζερ κατανέμεται ταχύτερα, οδηγώντας σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Έτσι, η αύξηση της θερμοκρασίας κατασκευής αντισταθμίζει αυτό το φαινόμενο.

Για την καλύτερη κατανόηση της επιρροής των διαφορετικών σχημάτων πληρωτικού υλικού στην εισροή ενέργειας, οι Lanzl et al. ανέλυσαν το πάχος ενός μεμονωμένου στρώματος. Διαπιστώθηκε ότι το πάχος στρώματος του μίγματος με νιφάδες Cu είναι σημαντικά λεπτότερο. Οι researcτης το απέδωσαν αυτό στην αυξημένη θερμική αγωγιμότητα στο επίπεδο xy σε σύγκριση με τη διεύθυνση του πάχους και επίσης στην αυξημένη διάχυτη ανάκλαση του λέιζερ, η οποία οδηγεί σε χαμηλότερη εισροή ενέργειας. Αυτή η πρόσθετη ανάλυση αναδεικνύει τη σημασία της κατανόησης των αλλαγών στη θερμική διάχυση και αγωγιμότητα για όλες τις πτυχές της διαδικασίας SLS και των καταλληλότερων ρυθμίσεων της διαδικασίας.

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.

Πηγές

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