Πώς τα πληρωτικά υλικά επηρεάζουν τη συμπεριφορά κρυστάλλωσης των σκονών SLS

Μία απαίτηση θα μπορούσε να είναι η υψηλότερη ολκιμότητα (π.χ. PA11), άλλες θα μπορούσαν να είναι η καλύτερη σταθερότητα διαστάσεων (π.χ. προσθήκη γυάλινων σφαιριδίων), η υψηλότερη ηλεκτρική ή θερμική αγωγιμότητα (π.χ. πληρωτικά υλικά όπως αλουμίνιο ή χαλκός) ή η αυξημένη ακαμψία και αντοχή (π.χ. προσθήκη ινών γυαλιού ή άνθρακα).

Τα πληρωτικά δρουν ως χώροι πυρηνοποίησης

Η προσθήκη οποιουδήποτε πληρωτικού υλικού σε σκόνη SLS έχει συνήθως επίδραση στη συμπεριφορά κρυστάλλωσης, καθώς οι επιφάνειες των πληρωτικών υλικών λειτουργούν ως ετερογενείς θέσεις πυρηνοποίησης. Τα αγώγιμα πληρωτικά υλικά μπορούν επίσης να επηρεάσουν τη θερμοκρασία του υλικού και, επομένως, να παρουσιάσουν επιπλέον μεταβαλλόμενη συμπεριφορά.οι δυναμικές μετρήσεις διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC ) μπορούν να παρέχουν μια πρώτη ένδειξη αλλαγής της συμπεριφοράς, η οποία μπορεί στη συνέχεια να αναλυθεί περαιτέρω μέσω ισοθερμικών μετρήσεων στη θερμοκρασία κατασκευής ή κοντά σε αυτήν.

Προσθήκη αγώγιμων χάλκινων υλικών πλήρωσης

Για να κατανοήσουν την επίδραση των αγώγιμων πληρωτικών υλικών, η researcτης στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών (LKT) του Πανεπιστημίου Erlangen-Nuremburg πειραματίστηκε με χάλκινα πληρωτικά υλικά [1]. Χρησιμοποίησαν διάφορα μίγματα σφαιρών και νιφάδων χαλκού (Σχήμα 1) σε διαφορετικές περιεκτικότητες και ανέλυσαν τη συμπεριφορά επεξεργασίας καθώς και τις προκύπτουσες αγώγιμες ιδιότητες με στόχο τη δημιουργία σύνθετων εξαρτημάτων για θερμική διαχείριση. Παρασκευάστηκαν διάφορα δείγματα με την προσθήκη σφαιρών χαλκού σε ποσοστό 5 και 10 vol% και νιφάδων χαλκού σε ποσοστό 5 vol% στη σκόνη PA12. Η ενεργειακή πυκνότητα 0,043 ^J/mm2 διατηρήθηκε σταθερή για όλα τα υλικά, ώστε να ανιχνευθούν τυχόν αλλαγές στη συμπεριφορά της διεργασίας λόγω των πληρωτικών υλικών.

Προσδιορισμός του παραθύρου διεργασίας και της συμπεριφοράς κρυστάλλωσης της σκόνης PA12 με σωματίδια χαλκού

Στο NETZSCH Analyzing & Testing, ένα DSC 214 Polyma χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση του παραθύρου διεργασίας και της συμπεριφοράς κρυστάλλωσης αυτών των διαφορετικών μειγμάτων σκόνης PA12 με σωματίδια χαλκού σε σύγκριση με το καθαρό υλικό PA12.

Για κάθε μέτρηση, ένα δείγμα των 5 mg κόπηκε και τοποθετήθηκε σε ένα δοχείο αλουμινίου με κοίλο πυθμένα (Concavus^®al) και κλειστό καπάκι. Το δείγμα ψύχθηκε από τη θερμοκρασία δωματίου για να ξεκινήσει η μέτρηση στους -20°C. Στη συνέχεια θερμάνθηκε στους 200°C με ρυθμό θέρμανσης 10 K/min και ψύχθηκε με τον ίδιο ρυθμό ψύξης 10 K/min στους -20°C.

Ο ακόλουθος πίνακας συνοψίζει τις συνθήκες μέτρησης.

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Τα αποτελέσματα για το καθαρό PA12 συζητήθηκαν λεπτομερώς σε αυτό το προηγούμενο blogpost!

Αλλαγές στη συμπεριφορά κρυστάλλωσης

Στο Σχήμα 2 απεικονίζονται τα αποτελέσματα της^1ης θέρμανσης και ψύξης και για τα 4 δείγματα. Όπως φαίνεται, η μέγιστη θερμοκρασία τήξης δεν επηρεάζεται από την προσθήκη των πληρωτικών υλικών (Η διαφορά στην περιοχή σχετίζεται με τις διαφορετικές περιεκτικότητες σε πληρωτικά υλικά και δεν κανονικοποιήθηκε σε αυτό το γράφημα).

Ωστόσο, φαίνεται ότι η μέγιστη θερμοκρασία κρυστάλλωσης καθώς και η έναρξη της κρυστάλλωσης μετατοπίζονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες με την αύξηση της περιεκτικότητας σε πληρωτικό υλικό.

Η κορυφή μετατοπίζεται από τους 145,8°C για το καθαρό υλικό στους 149,1°C για 5 vol% χάλκινα πληρωτικά και στους 151,3°C για 10 vol%, αντίστοιχα.

Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι τα πληρωτικά δρουν ως θέσεις πυρηνοποίησης και επιταχύνουν την κρυστάλλωση. Αυτό οδηγεί σε ελαφρώς μειωμένο παράθυρο διεργασίας και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη διάρκεια της selectων συνθηκών επεξεργασίας.

Παρόμοιο αποτέλεσμα παρατηρήθηκε από την WILO SE, έναν κορυφαίο πάροχο αντλιών και συστημάτων αντλιών, για ίνες γυαλιού και άνθρακα. Διαβάστε τη μελέτη περίπτωσης εδώ!

Καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς κρυστάλλωσης

Πρόσθετες μελέτες της συμπεριφοράς της ισοθερμικής κρυστάλλωσης μπορεί να είναι χρήσιμες για την καλύτερη κατανόηση αυτής της συμπεριφοράς. Μια λεπτομερής περιγραφή της διαδικασίας μέτρησης δίνεται εδώ για μη γεμισμένη σκόνη PA12.

Η researchers στο LKT πραγματοποίησε αυτές τις πρόσθετες ισοθερμικές μελέτες στους 165°C στα δείγματα με πλήρωση χαλκού και διαπίστωσε ότι ο χρόνος ημιχρόνου κρυστάλλωσης μειώνεται λόγω της προσθήκης πληρωτικών ουσιών, επιβεβαιώνοντας περαιτέρω το φαινόμενο της πυρηνοποίησης. Ολόκληρη η μελέτη μπορεί να βρεθεί εδώ [Ανοικτή πρόσβαση]!

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.

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.