τρισδιάστατη εκτύπωση: 12 κατά την εκλεκτική πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ

Η σύντηξη σε στρώμα σκόνης (PBF), που ονομάζεται επίσης Selective Laser Sintering (SLS), είναι η τεχνολογία κατασκευής τρισδιάστατων αντικειμένων στρώμα προς στρώμα, όπου μια ακτίνα λέιζερ selectιχνηλατεί μια προκαθορισμένη περιοχή στο στρώμα σκόνης. Η δέσμη λέιζερ προκαλεί την τήξη της σκόνης και κατά την εφαρμογή του επόμενου στρώματος (ψυχρότερης) σκόνης, ενδέχεται να ξεκινήσει η κρυστάλλωση. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι να δημιουργηθεί ολόκληρο το τεμάχιο. Πλήρης περιγραφή της διαδικασίας μπορείτε να βρείτε στο άρθρο του ιστολογίου μας για το SLS [2].

Ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά είναι το PA12, αλλά αναπτύσσονται συνεχώς τροποποιήσεις ή άλλα υλικά με βελτιωμένες ή διαφορετικές ιδιότητες.

Προτού εργαστείτε με ένα νέο υλικό, είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζετε τη συμπεριφορά κρυστάλλωσης του νέου υλικού, προκειμένου να βρείτε τις βέλτιστες θερμοκρασίες για τη διαδικασία SLS. Οι θερμοκρασίες αυτές αποτελούν μία από τις κύριες παραμέτρους της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης, επηρεάζοντας την ταχύτητα πυροσυσσωμάτωσης καθώς και την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Η συνήθης προσέγγιση δοκιμής και λάθους είναι πολύ χρονοβόρα και, ως εκ τούτου, δαπανηρή. Αντίθετα, η εξειδίκευση ενός νέου υλικού μπορεί να πραγματοποιηθεί πολύ ταχύτερα με τη χρήση του λογισμικού Kinetics Neo για την κινητική μοντελοποίηση του ρυθμού κρυστάλλωσης με βάση δεδομένα διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), ακολουθούμενη από προσομοίωση της διαδικασίας για διαφορετικά προφίλ θερμοκρασίας.

Αρχικά, πραγματοποιούνται οι πειραματικές μετρήσεις DSC και στη συνέχεια ακολουθεί κινητική ανάλυση των δεδομένων αυτών για τη δημιουργία του κινητικού μοντέλου. Τέλος, το μοντέλο χρησιμοποιείται κατά την προσομοίωση διαφορετικών σεναρίων θερμοκρασίας επεξεργασίας προκειμένου να βρεθεί το βέλτιστο.

Πειραματικό

Η DSC επιτρέπει τον προσδιορισμό των θερμοκρασιώντήξης και κρυστάλλωσης κατά τη θέρμανση και την ψύξη. Οι θερμοκρασίες αυτές καθορίζουν το παράθυρο θερμοκρασιών εργασίας της διεργασίας για την τεχνολογία SLS [1]. Ωστόσο, οι θερμοκρασίες αυτές εξαρτώνται από τους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης, επειδή και οι δύο διεργασίες εξαρτώνται από τον χρόνο. Για χαμηλότερους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης, το παράθυρο διεργασίας θα μειωθεί. Αυτό απαιτεί ισοθερμικές μετρήσεις [2].

Οι ισοθερμικές μετρήσεις παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τον ρυθμό της ισοθερμικής κρυστάλλωσης σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτός ο ρυθμός κρυστάλλωσης εξαρτάται από τον βαθμό υπερθέρμανσης ενός υλικού. Για παράδειγμα, όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο υψηλότερος είναι ο βαθμός υπερθέρμανσης και συνεπώς τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός κρυστάλλωσης. Η εξάρτηση αυτή είναι αξιοσημείωτη στις πειραματικές μετρήσεις για το PA12, που πραγματοποιήθηκαν με το DSC 214 Polyma (Σχήμα 1). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε δείγματα PA12 με μάζα περίπου 5 mg σε ένα ταψί αλουμινίου (Concavus^® Al) με κλειστό καπάκι υπό άζωτο. Το ισόθερμο τμήμα που παρουσιάζεται εδώ ακολουθεί μια γρήγορη ράμπα ψύξης από θερμοκρασίες πάνω από τη θερμοκρασία τήξης.

Κινητική ανάλυση

Η κινητική ανάλυση των μετρήσεωνισόθερμης κρυστάλλωσης DSC, σε διαφορετικές θερμοκρασίες, πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικούNETZSCH Kinetics Neo. Παρέχει ένα κινητικό μοντέλο ανάλογα με το χρόνο και τη θερμοκρασία, το οποίο μπορεί να περιγράψει όλες τις πειραματικές καμπύλες υπό διαφορετικές θερμοκρασίες. Το μοντέλο αυτό υπολογίζει τον ρυθμό κρυστάλλωσης μέσω της κινητικής εξίσωσης:

Στην ισοθερμική ανάλυση της κρυστάλλωσης, η πρώτη εξάρτηση αντιπροσωπεύεται συνήθως από την εξίσωση Avrami, η οποία αντιπροσωπεύει τον ρυθμό πυρηνοποίησης της κρυστάλλωσης.

Η εκτεταμένη εκδοχή της εξίσωσης Avrami (4, βλέπε τέλος του άρθρου) είναι η εξίσωση Sestak-Berggren (5, βλέπε τέλος του άρθρου). Αυτή η εκτεταμένη εξίσωση χρησιμοποιείται στην παρούσα ανάλυση επειδή παρέχει καλύτερη προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων

Η εξάρτηση K(T) στην εξίσωση (1) είναι μια τυπική εξίσωση Arrhenius ως φθίνουσα συνάρτηση της θερμοκρασίας με προεκθέτη A και φαινόμενη ενέργεια ενεργοποίησης E:

Αυτό το κινητικό μοντέλο (Εξ1) παρουσιάζει την εξάρτηση του τρέχοντος ρυθμού κρυστάλλωσης από τη θερμοκρασία και τον τρέχοντα βαθμό κρυστάλλωσης.

Οι εξισώσεις περιέχουν άγνωστες παραμέτρους, οι οποίες βρίσκονται από το λογισμικό προκειμένου να προσδιοριστεί η καλύτερη προσαρμογή για τις πειραματικές καμπύλες.

Εάν αυτή η προσομοίωση εκτελεστεί για τις θερμοκρασιακές συνθήκες των ισοθερμικών πειραμάτων με τις βέλτιστες παραμέτρους, θα υπάρξει πολύ καλή συμφωνία μεταξύ του πειράματος και της προσομοίωσης με^R2=0,998. Στο σχήμα 2, τα σημεία αντιπροσωπεύουν τα πειραματικά δεδομένα και οι συνεχείς γραμμές την προσομοίωση, σύμφωνα με τις εξισώσεις (1,3,4).

Προσομοιώσεις

Αυτό το ενιαίο μοντέλο λειτουργεί τώρα για διαφορετικές θερμοκρασίες. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της κρυστάλλωσης στη διαδικασία SLS. Το προφίλ θερμοκρασίας της επιφάνειας της σκόνης μπορεί να μετρηθεί κατά τη διάρκεια πολλαπλών κύκλων. Στη συνέχεια μπορούμε να εκτελέσουμε μια προσομοίωση της διαδικασίας κρυστάλλωσης για αυτό το στρώμα σκόνης. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι κάθε κατώτερο στρώμα έχει παρόμοιο προφίλ θερμοκρασίας, αλλά με ελαφρώς μειωμένες θερμοκρασίες λόγω της εφαρμογής σκόνης για κάθε στρώμα. Έτσι, μπορεί κανείς να προσομοιώσει τη διαδικασία κρυστάλλωσης ενός μόνο στρώματος κατά τη διάρκεια πολλών κύκλων λέιζερ. Το Σχήμα 3 παρουσιάζει την προσομοίωση του βαθμού κρυστάλλωσης για 5 κύκλους, όπου για κάθε νέο κύκλο ή στρώμα, η θερμοκρασία μειώθηκε κατά 2 K.

Βλέπουμε ότι ένα στρώμα δεν μπορεί να κρυσταλλωθεί πλήρως κατά τη διάρκεια των χρονικών περιορισμών ενός κύκλου, όταν το στρώμα αυτό βρίσκεται στην κορυφή της κλίνης σκόνης. Ωστόσο, η κρυστάλλωση συνεχίζεται καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας SLS, καθώς σε κάθε κύκλο παράγονται περαιτέρω στρώματα. Η κρυστάλλωση κατά τη διάρκεια πολλών κύκλων είναι ένα από τα πλεονεκτήματα της SLS, όταν το τρισδιάστατο αντικείμενο που προκύπτει έχει πολύ ισχυρή πρόσφυση στρώματος και ισοτροπικές μηχανικές ιδιότητες προς όλες τις κατευθύνσεις, όπως σκληρότητα, αντοχή σε εφελκυσμό και επιμήκυνση [3].

Ωστόσο, εάν το πάχος του στρώματος σκόνης αυξηθεί, τότε η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των στρωμάτων θα είναι μεγαλύτερη. Αυτό μπορεί να συμβεί κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης υψηλής ταχύτητας. Η προσομοίωση για 5 κύκλους με διαφορά θερμοκρασίας 5 K (Σχήμα 4) δείχνει ότι η κύρια κρυστάλλωση έχει ήδη ολοκληρωθεί κατά τη διάρκεια του δεύτερου κύκλου, ενώ το τρίτο στρώμα είναι ήδη στερεό. Αυτή η ασύγχρονη κρυστάλλωση θα μπορούσε να είναι η αιτία για τις μηχανικές τάσεις, τη στρέβλωση ή το κατσάρωμα στο δείγμα λόγω της συρρίκνωσής του κατά τη διαδικασία SLS. Επιπλέον, η χρήση παχιών στρωμάτων σκόνης θα μπορούσε να μειώσει την ισοτροπία του τελικού υλικού.

Συμπέρασμα

Ο συνδυασμός του NETZSCH Kinetics Neo με το DSC βοηθά στη μελέτη του ρυθμού κρυστάλλωσης των υλικών (πολυμερών) και στην προσομοίωση της συμπεριφοράς τους για τόσο σύνθετες βιομηχανικές διεργασίες όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση με την τεχνολογία Selective Laser Sintering. Αυτό είναι πολύ πολύτιμο για searching βέλτιστες συνθήκες θερμοκρασίας για νέα υλικά που χρησιμοποιούνται στο SLS.

Διαβάστε επίσης / Πηγές:

1. netzschcom/how-to-determine-the-process-window-for-sls-powders-using-dsc
2. https://ta-NETZSCH.com/how-to-study-the-isothermal-crystallization-behavior-of-sls-powder-using-dsc
3. https://3dinsider.com/sls-printing/
4. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.03.034
5. https://doi.org/10.1016/0040-6031(71)85051-7