Por qué el efecto de los rellenos anisótropos en la expansión térmica depende del proceso

Cómo se alinean los rellenos anisótropos en la fabricación aditiva

En el proceso de fabricación aditiva de SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización selectiva por láser (SLS), no se producen procesos de flujo de la masa fundida, sino del polvo. Este flujo del polvo durante el proceso de recubrimiento alinea los rellenos anisótropos con la dirección del flujo del polvo, que comúnmente se denota como dirección x. En el caso de las fibras, esto significa que la mayoría de las fibras se alinean en la dirección x, algunas podrían alinearse en la dirección y y muy pocas podrían orientarse en la dirección z. En el caso de los copos, se distribuyen uniformemente en el plano xy y sólo unos pocos pueden orientarse en la dirección del grosor, z. Este efecto es diferente al del moldeo por inyección, por ejemplo, y puede estudiarse y confirmarse mediante imágenes ópticas o mediciones indirectas como el coeficiente de expansión térmica (Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE) o (α).

Determinación de la orientación de las fibras de esferas y escamas de cobre mediante análisis térmico

Para el análisis se utilizaron muestras de un estudio [1] del Instituto de Tecnología de Plásticos (LKT) de la Universidad de Erlangen-Nuremberg.

Los investigadores produjeron diferentes mezclas de polvo de PA12 con esferas de cobre isotrópicas y copos anisotrópicos en contenidos variables (5 y 10 vol% de esferas de cobre y 5 vol% de copos de cobre) para estudiar su idoneidad para aumentar 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 del material. En NETZSCH Analyzing & Testing, todas las muestras se analizaron utilizando el NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Para la determinación del coeficiente de expansión térmica (Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE), se cortaron muestras de especímenes de hueso de perro en tres direcciones diferentes, Figura 1, dirección x- y y: 10x5x4,5 ^mm3, dirección z: 4.5x5x5 ^mm3.

La dilatación térmica se midió en un intervalo de -20 a 170 ºC utilizando una velocidad de calentamiento de 5 K/min. Todas las condiciones de medición se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 1: Condiciones de medición

Comparación de polvo PA12 relleno y sin rellenar

La figura 2 muestra los resultados para la PA12 sin relleno y la mezcla con rellenos isótropos.

Se puede observar que la dilatación térmica es menor para el sistema relleno que para el sistema sin relleno, incluso cuando el contenido de volumen de 5 vol% es bastante small.

Comparando las diferentes direcciones, encontramos que la expansión térmica en la dirección del espesor es menor para ambos materiales. Sin embargo, la diferencia es aún mayor para la muestra rellena de cobre. Esto puede explicarse por la diferente solidificación y adhesión de partículas dentro de una capa (en el plano xy) en comparación con la adhesión entre capas. Esto se observa normalmente por cambios en las propiedades mecánicas, pero también fue observado por Lanzl et al. [1] como un cambio en la porosidad. Dado que los investigadores encontraron que la porosidad es mayor con los composites rellenos de cobre, esto explica también la mayor diferencia entre las direcciones z y xy. El mismo efecto se observó con perlas de vidrio como rellenos isótropos.

Comparación de diferentes contenidos de volumen de esferas de Cu

En la figura 3 se muestra la comparación entre los distintos contenidos de volumen de las esferas de Cu. No se observan cambios significativos entre las muestras.

Comparación de diferentes formas de cobre

En la figura 4 se muestra la comparación de diferentes formas de cobre con el mismo contenido de volumen de material de relleno del 5 % vol.

Con el mismo contenido de volumen, la direccionalidad se hace bastante evidente. Las esferas de Cu muestran un comportamiento isótropo. En comparación, las escamas reducen el CET en las direcciones x e y y lo aumentan en la dirección z. La razón es la alineación de los rellenos. La razón es la alineación de los rellenos. Durante el proceso de recubrimiento, las escamas se alinean en el plano xy, por lo que tienen el efecto más pronunciado en estas direcciones. Sin embargo, no se cruzan con las capas vecinas ni muestran una alineación lo suficientemente significativa en la dirección z como para contribuir enormemente a la expansión térmica. El valor del CET en la dirección del espesor es casi el del material matriz PA12. Como se ha explicado anteriormente, este comportamiento es consecuencia directa del procesado y de la alineación de los rellenos debida a éste.

Mejor comparación con el coeficiente de dilatación térmica volumétrica

Para comparar los dos materiales, hay que tener en cuenta el coeficiente de dilatación térmica volumétrica. Como ambas muestras tienen el mismo contenido de cobre de 5 vol%, el Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE de volumen debería ser aproximadamente el mismo.

Para materiales isótropos, el Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE de volumen se calcula como _αv = 3 _αl o _αv = 3 _αx

Para materiales anisótropos, _αv viene dado por _αv = (_αx + _αy + _αz)

Utilizando los datos medidos aquí, _αv del material compuesto con esferas de Cu es 482,^0×10-6 1/K y _αv del material compuesto con escamas de Cu es 464,^2×10-6 1/K, lo que demuestra que el contenido global de relleno tiene la mayor influencia, pero la distribución de la expansión térmica en diferentes direcciones se ve muy afectada por la forma del relleno.

Detección del comportamiento anisótropo de los materiales con el ALF

Otro método de análisis térmico que resulta útil para detectar el comportamiento anisotrópico de los materiales y comprender su eficacia para aplicaciones de gestión térmica es el análisis de flash láser (LFA ) para medir la difusividad térmica. Lea en los artículos qué cambios se detectan en piezas de PA12 con esferas y escamas de cobre como relleno y cómo se utilizan 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, 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 y el CET para calcular la conductividad térmica.

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. Además de estas áreas 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.

Lea también: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work

Fuentes

[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: 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