Γιατί η επίδραση των ανισοτροπικών πληρωτικών υλικών στη θερμική διαστολή εξαρτάται από τη διαδικασία

Πώς τα ανισοτροπικά πληρωτικά ευθυγραμμίζονται στην Προσθετική Κατασκευή

Στη διαδικασία προσθετικής κατασκευής Selective Laser Sintering (SLS), δεν λαμβάνουν χώρα διαδικασίες ροής του τήγματος, αλλά της σκόνης. Αυτή η ροή της σκόνης κατά τη διαδικασία επικάλυψης ευθυγραμμίζει τα ανισότροπα πληρωτικά υλικά με την κατεύθυνση της ροής της σκόνης, η οποία συνήθως συμβολίζεται ως κατεύθυνση x. Στην περίπτωση των ινών, αυτό σημαίνει ότι οι περισσότερες ίνες ευθυγραμμίζονται στην κατεύθυνση x, μερικές μπορεί να ευθυγραμμιστούν στην κατεύθυνση y και πολύ λίγες μπορεί να προσανατολιστούν στην κατεύθυνση z. Στην περίπτωση των νιφάδων, αυτές κατανέμονται ομοιόμορφα στο επίπεδο xy και μόνο λίγες μπορεί να προσανατολιστούν στη διεύθυνση του πάχους, z. Αυτό το φαινόμενο είναι διαφορετικό από, π.χ., τη χύτευση με έγχυση και μπορεί να μελετηθεί και να επιβεβαιωθεί με τη χρήση οπτικής απεικόνισης ή έμμεσων μετρήσεων, όπως ο συντελεστής θερμικής διαστολής (Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE) ή (α).

Προσδιορισμός του προσανατολισμού των ινών σε σφαίρες και νιφάδες χαλκού με θερμική ανάλυση

Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν δείγματα από μελέτη [1] του Ινστιτούτου Τεχνολογίας Πλαστικών (LKT) του Πανεπιστημίου Erlangen-Nuremberg.

Η Researcτης παρήγαγε διαφορετικά μίγματα σκόνης PA12 με ισότροπες σφαίρες χαλκού και ανισότροπες νιφάδες σε διαφορετικές περιεκτικότητες (5 και 10 vol% σφαίρες χαλκού και 5 vol% νιφάδες χαλκού) για να μελετήσει την καταλληλότητά τους για την αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας του υλικού. Στο NETZSCH Analyzing & Testing, όλα τα δείγματα αναλύθηκαν με τη χρήση του NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Για τον προσδιορισμό του συντελεστή θερμικής διαστολής (Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE), τα δείγματα κόπηκαν από δείγματα σκυλοκόκκαλων σε τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις, Σχήμα 1, x- και y-κατεύθυνση: 10x5x4,5 ^mm3, κατεύθυνση z: 4.5x5x5 ^mm3.

Η θερμική διαστολή μετρήθηκε σε εύρος από -20 έως 170 ºC με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min. Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Σύγκριση μη γεμισμένης και γεμισμένης σκόνης PA12

Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για το μη γεμισμένο PA12 και το μείγμα με ισοτροπικά πληρωτικά υλικά.

Μπορεί να φανεί ότι η θερμική διαστολή είναι smaller για το γεμισμένο σύστημα σε σχέση με το μη γεμισμένο σύστημα, ακόμη και αν η περιεκτικότητα σε όγκο 5 vol% είναι αρκετά small.

Συγκρίνοντας τις διαφορετικές κατευθύνσεις, διαπιστώνουμε ότι η θερμική διαστολή στη διεύθυνση του πάχους είναι μικρότερη και για τα δύο υλικά. Ωστόσο, η διαφορά είναι ακόμη μεγαλύτερη για το δείγμα που είναι γεμάτο με χαλκό. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με τη διαφορετική στερεοποίηση και την πρόσφυση των σωματιδίων εντός ενός στρώματος (στο επίπεδο xy) σε σύγκριση με την πρόσφυση μεταξύ των στρωμάτων. Αυτό παρατηρείται συνήθως με αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες, αλλά παρατηρήθηκε επίσης από τους Lanzl κ.ά. [1] ως αλλαγή στο πορώδες. Δεδομένου ότι η researcτης διαπίστωσε ότι το πορώδες είναι υψηλότερο με τα σύνθετα υλικά που είναι γεμάτα χαλκό, αυτό εξηγεί επίσης τη μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ της διεύθυνσης z και xy. Το ίδιο αποτέλεσμα παρατηρήθηκε και με τα γυάλινα σφαιρίδια ως ισότροπα πληρωτικά υλικά.

Σύγκριση διαφορετικής περιεκτικότητας σε όγκο σφαιρών Cu

Η σύγκριση μεταξύ των διαφορετικών περιεκτικοτήτων όγκου των σφαιρών Cu παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. Δεν παρατηρείται σημαντική αλλαγή μεταξύ των δειγμάτων.

Σύγκριση διαφορετικών σχημάτων χαλκού

Η σύγκριση των διαφορετικών σχημάτων χαλκού με την ίδια περιεκτικότητα σε όγκο 5 vol% υλικού πλήρωσης παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.

Στο ίδιο περιεχόμενο όγκου, η κατευθυντικότητα γίνεται αρκετά εμφανής. Οι σφαίρες Cu παρουσιάζουν ισοτροπική συμπεριφορά. Συγκριτικά, οι νιφάδες μειώνουν το Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE στη διεύθυνση x και y και το αυξάνουν στη διεύθυνση z. Ο λόγος είναι η ευθυγράμμιση των πληρωτικών υλικών. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επικάλυψης, οι νιφάδες ευθυγραμμίζονται στο επίπεδο xy, έχοντας έτσι την πιο έντονη επίδραση σε αυτές τις κατευθύνσεις. Ωστόσο, δεν περνούν σε γειτονικά στρώματα ή δεν παρουσιάζουν αρκετά σημαντική ευθυγράμμιση στη διεύθυνση z ώστε να έχουν τεράστια συμβολή στη θερμική διαστολή. Η τιμή του Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE στη διεύθυνση του πάχους είναι σχεδόν αυτή του υλικού της μήτρας PA12. Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, αυτή η συμπεριφορά είναι άμεση συνέπεια της επεξεργασίας και της ευθυγράμμισης των πληρωτικών υλικών λόγω αυτής.

Καλύτερη σύγκριση με τον συντελεστή θερμικής διαστολής όγκου

Για να συγκριθούν τα δύο υλικά, πρέπει να ληφθεί υπόψη ο συντελεστής θερμικής διαστολής όγκου. Δεδομένου ότι και τα δύο δείγματα έχουν την ίδια περιεκτικότητα σε χαλκό 5 vol%, ο Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE όγκου θα πρέπει να είναι περίπου ο ίδιος.

Για ισότροπα υλικά, ο Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE όγκου υπολογίζεται ως _αv = 3 _αl ή _αv = 3 _αx

Για ανισότροπα υλικά, το _αv δίνεται από τη σχέση _αv = (_αx + _αy + _αz)

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που μετρήθηκαν εδώ, το _αv του σύνθετου υλικού με σφαιρίδια Cu είναι 482,^0×10-6 1/K και το _αv του σύνθετου υλικού με νιφάδες Cu είναι 464,^2×10-6 1/K, γεγονός που δείχνει ότι η συνολική περιεκτικότητα σε πληρωτικό υλικό έχει τη μεγαλύτερη επιρροή, αλλά η κατανομή της θερμικής διαστολής στις διάφορες κατευθύνσεις επηρεάζεται έντονα από το σχήμα του πληρωτικού υλικού.

Ανίχνευση ανισοτροπικής συμπεριφοράς υλικού με LFA

Μια άλλη μέθοδος θερμικής ανάλυσης που είναι χρήσιμη για την ανίχνευση της ανισοτροπικής συμπεριφοράς των υλικών και την κατανόηση της αποτελεσματικότητάς τους για εφαρμογές θερμικής διαχείρισης είναι η ανάλυση με φλας λέιζερ (LFA) για τη μέτρηση της θερμικής διαχυτότητας. Διαβάστε στα άρθρα ποιες αλλαγές ανιχνεύονται σε εξαρτήματα από PA12 με σφαίρες και νιφάδες χαλκού ως πληρωτικά υλικά και πώς χρησιμοποιούνται η θερμική διαχυτότητα, η ειδική θερμοχωρητικότητα και η Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας.

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.

Διαβάστε επίσης: https://ta-NETZSCH.com/how-does-select ive-laser-sintering-sls-work

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