Cómo afecta la difusividad térmica a la temperatura de construcción en el proceso SLS

En un artículo anterior, explicamos la motivación para añadir cargas conductoras a los polvos de PA12 y crear componentes complejos para la gestión térmica con el proceso de sinterizado selectivo por láser (SLS). También explicamos los distintos pasos de la preparación de muestras, que es crucial para la calidad de los resultados.

Diferentes temperaturas de impresión para diferentes mezclas de polvo

Las muestras fueron preparadas en el marco de un estudio [1] por investigadores del Instituto de Tecnología de Polímeros (LKT) de la Universidad de Erlangen-Nuremberg. Utilizaron diferentes mezclas de esferas y escamas de cobre en distintos contenidos: 5 y 10 vol% de esferas de cobre y 5 vol% de copos de cobre. La DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de energía de 0,043 ^J/mm2 se mantuvo constante para todos los materiales con el fin de detectar cualquier cambio en el comportamiento del proceso debido a los rellenos. Para el polvo de esferas de PA12/Cu, se determinó experimentalmente una temperatura de fabricación de 167°C. Para la mezcla de escamas de PA12/Cu, fue necesario aumentar la temperatura de solidificación a 173°C. Se supuso que la razón podía ser una mayor Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica y una menor Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica. Por lo tanto, el siguiente análisis puede utilizarse para investigar estos efectos en detalle.

Cómo analizar la difusividad térmica

En NETZSCH Analyzing & Testing, se utilizó un LFA 467 Hyperflash para medir la difusividad térmica de estas diferentes mezclas de polvo PA12 con partículas de cobre en comparación con el material PA12 puro.

Un breve pulso de luz calienta la superficie inferior de la muestra y el aumento de temperatura en la superficie posterior se mide en función del tiempo utilizando un detector IR.

Esto se repite para cada paso de temperatura después de que la temperatura de la muestra se estabilice y la lámpara de flash también se dispara varias veces en un lapso de minutos.

La preparación de las muestras es muy importante y se explica aquí en detalle.

Después de cargar las muestras, se inicia la medición utilizando las condiciones resumidas en la siguiente tabla:

Tabla 1: Condiciones de medición

Cómo influyen las esferas de cobre en la difusividad térmica

El softwareNETZSCH Proteus^® ajusta automáticamente un modelo adecuado a los datos medidos para permitir el cálculo de los tiempos medios, Figura 1.

La figura 2 muestra la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica analizada en función de la temperatura y la orientación de la muestra para la PA12 pura en comparación con las mezclas de PA12/esfera de cobre.

Como era de esperar, las muestras de PA12 puro no muestran direccionalidad y los valores de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica son los más bajos. Muestran la típica disminución con el aumento de la temperatura hasta la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión.

Las muestras con 5 vol% de esferas de Cu muestran valores ligeramente más altos de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica que la PA12 pura y las muestras con 10 vol% de esferas de Cu muestran los valores más altos de los tres materiales. Esto se debe a la mayor Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica del cobre en comparación con la matriz aislante. En la mayoría de las muestras no se observa direccionalidad debido a las propiedades isotrópicas de las esferas. Sin embargo, para la muestra con 10 vol% de esferas de Cu en la dirección de espesor z, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica es ligeramente inferior que para las otras dos direcciones. Esto está probablemente relacionado con la mayor porosidad de estas muestras, que fue medida por Lanzl et al. [1]. Los resultados del LFA indican una mayor porosidad entre capas en la dirección z que dentro de una capa en el plano xy.

Cómo influyen los copos de cobre en la difusividad térmica

Se observa un comportamiento diferente con las escamas de cobre, como se muestra en la Figura 3, donde se comparan las mediciones de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de todas las muestras en la dirección x y de las escamas en las tres direcciones.

Las escamas muestran valores mucho más altos de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica que las otras mezclas con esferas y la PA12 pura. El alto grado de anisotropía se espera basándose en el carácter 2D del relleno. La mayor Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica se mide en la dirección y, seguida de la dirección x. Los valores más bajos se alcanzan a través del espesor de una capa en la dirección z. Esto indica una mayor orientación preferencial en el plano xy, que probablemente se deba al proceso de aplicación del polvo.

La figura 4 muestra una imagen de microscopía de la sección transversal de una sola capa de la mezcla de escamas de PA12/Cu, tal y como informan Lanzl et al. [1]. La imagen muestra que las partículas se tocan entre sí y, por lo tanto, la resistencia térmica global del material (o aquí sección transversal) debe reducirse al mínimo. La mayor parte de los rellenos está orientada horizontalmente, lo que corresponde al plano xy. Sin embargo, puede observarse que algunas escamas están inclinadas en ángulo, lo que da lugar a una mayor Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica en la dirección z en comparación con el resto de muestras.

Las mediciones de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica proporcionan una visión significativa tanto de la orientación de los rellenos como de su proximidad entre sí sin necesidad de imágenes ópticas adicionales.

Cómo determinar la conductividad térmica

Para el análisis o la simulación posteriores, además de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, a, se necesita la conductividad térmica, l. Para calcular la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, se requiere la capacidad calorífica específica, _{Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp}, y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad, r:

λ(T)=a(T)_{∙Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp}(T)∙ρ(T)

Tanto la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica como la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica se miden en función de la temperatura. La medición y los resultados de las _medicionesde cp se explican aquí. Sin embargo, la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad requiere volver a utilizar la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad a temperatura ambiente, así como el coeficiente de dilatación térmica para el intervalo de temperaturas investigado:

ρ(T)_=ρRT∙αv(T)

La DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad a temperatura ambiente se midió por el método de flotación con agua, el coeficiente de expansión térmica, α, se mide con un analizador termomecánico (TMA), que se explicará en un artículo posterior. El coeficiente de expansión depende de la dirección y se calcula de la siguiente manera

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

Mayor contenido de cobre = Mayor conductividad térmica

Los valores calculados de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica resultantes se representan en la figura 6 en función de la temperatura para los distintos materiales y mezclas.

Se observan las mismas tendencias que en el caso de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica:

• Al aumentar el contenido de cobre, aumenta la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica.
• Las esferas de Cu muestran principalmente un comportamiento isótropo. Las diferencias en los valores están relacionadas con la porosidad de las muestras.
• Los copos de cobre muestran el mayor aumento de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica ya que los rellenos tocan parcialmente y reducen la resistencia a la conductividad del material compuesto.
• Las escamas de cobre muestran un comportamiento anisótropo debido a su geometría 2D y al proceso de aplicación del polvo.

Sin embargo, la reducida dependencia de la temperatura, así como la ligera curvatura a bajas temperaturas, está relacionada con la dependencia de la temperatura de los valores de _{Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp}.

Optimización de los ajustes del proceso en función de los resultados de los análisis

Para la aplicación de estos rellenos conductores en la gestión térmica, es importante ajustar la orientación de las piezas impresas en 3D para tener en cuenta cualquier anisotropía debida al proceso de recubrimiento y a la geometría del relleno.

En cuanto a los ajustes del proceso y, en particular, la temperatura de fabricación, se observó que la mezcla de copos debía procesarse a una temperatura de fabricación de 173 °C, 6 °C más que las mezclas con esferas. La mayor Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica y el menor calor específico conducen a una menor capacidad de almacenamiento de calor en el compuesto y a una mejor descarga del calor. Especialmente en el plano xy, donde se obtuvieron las conductividades más altas con las escamas de Cu, es de esperar que la entrada de energía del láser se distribuya más rápidamente, lo que conduce a una temperatura más baja. Por lo tanto, el aumento de la temperatura de construcción contrarresta este efecto.

Para comprender mejor la influencia de las diferentes formas de relleno en la entrada de energía, Lanzl et al. analizaron el espesor de una sola capa. Se descubrió que el grosor de la capa de la mezcla con copos de Cu es significativamente menor. Los investigadores atribuyeron este hecho al aumento de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en el plano xy en comparación con la dirección del espesor y también al aumento de la reflexión difusa del láser, que se traduce en un menor aporte de energía. Este análisis adicional pone de relieve la importancia de comprender los cambios en la difusividad y conductividad térmicas para todos los aspectos del proceso SLS y los ajustes más adecuados del proceso.

Acerca del Instituto de Tecnología de Polímeros (LKT)

El Instituto de Tecnología de Polímeros es un instituto de investigación académica de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg. Es uno de los líderes en investigación sobre fabricación aditiva, especialmente SLS. Otras de sus principales áreas de investigación son el diseño ligero y el FRP, los materiales y el procesamiento, la tecnología de unión y la tribología. Además de estos focos de investigación, el instituto también trabaja en temas interdisciplinares como la composición de materiales de relleno, la simulación del procesamiento y las aplicaciones, los termoplásticos reticulados por radiación, el procesamiento suave y muchos más.

Fuentes

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. Sinterizaciónselectiva por láser de poliamida 12 rellena de cobre: caracterización de las propiedades del polvo y comportamiento del proceso, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: Sinterización selectiva por láser de poliamida 12 rellena de cobre: caracterización de las propiedades del polvo y comportamiento del proceso - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library