How Fillers Affect the Crystallization Behavior of SLS Powders

Yksi vaatimus voi olla suurempi sitkeys (esim. PA11), toiset voivat olla parempi mittapysyvyys (esim. lasihelmien lisääminen), parempi sähkön- tai LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus (esim. täyteaineet, kuten alumiini tai kupari) tai suurempi jäykkyys ja lujuus (esim. lasi- tai hiilikuitujen lisääminen).

Täyteaineet toimivat ydintymispaikkoina

Minkä tahansa täyteaineen lisääminen SLS-jauheeseen vaikuttaa tyypillisesti kiteytymiskäyttäytymiseen, koska täyteaineiden pinnat toimivat heterogeenisina ydintymispaikkoina. Johtavat täyteaineet voivat myös vaikuttaa materiaalin lämpötilaan ja siten käyttäytyä lisäksi muuttuneesti. dynaamiset DSC-mittaukset (Differential Scanning Calorimetry ) voivat antaa ensimmäiset viitteet muuttuneesta käyttäytymisestä, jota voidaan sitten analysoida tarkemmin isotermisillä mittauksilla, jotka tehdään valmistuslämpötilassa tai lähellä sitä.

Johtavien kuparitäyteaineiden lisääminen

Erlangen-Nürnbergin yliopiston polymeeriteknologian instituutin (LKT) tutkijat tekivät kokeita kuparitäytteillä ymmärtääkseen johtavien täyteaineiden vaikutusta [1]. He käyttivät erilaisia kuparipallojen ja -hiutaleiden seoksia (kuva 1) vaihtelevina pitoisuuksina ja analysoivat käsittelykäyttäytymistä sekä tuloksena syntyviä johtavia ominaisuuksia tavoitteenaan tuottaa monimutkaisia komponentteja lämmönhallintaan. Erilaisia näytteitä valmistettiin lisäämällä PA12-jauheeseen kuparipalloja 5 ja 10 tilavuusprosenttia ja kuparihiutaleita 5 tilavuusprosenttia. Energiatiheys 0,043 ^J/mm2 pidettiin vakiona kaikille materiaaleille, jotta voitiin havaita mahdolliset täyteaineista johtuvat muutokset prosessin käyttäytymisessä.

PA12-jauheen prosessi-ikkunan ja kiteytymiskäyttäytymisen määrittäminen kuparihiukkasten kanssa

Osoitteessa NETZSCH Analyzing & Testing käytettiin DSC 214 Polyma -laitetta prosessi-ikkunan analysoimiseksi ja näiden erilaisten kuparihiukkasia sisältävien PA12-jauheen seosten kiteytymiskäyttäytymisen analysoimiseksi verrattuna puhtaaseen PA12-materiaaliin.

Jokaista mittausta varten leikattiin 5 mg:n näyte ja asetettiin koveralla pohjalla varustettuun alumiinialtaaseen (Concavus^®al) ja suljettu kansi. Näyte jäähdytettiin huoneenlämpötilasta mittauksen aloittamiseksi -20 °C:ssa. Sen jälkeen se kuumennettiin 200 °C:seen lämmitysnopeudella 10 K/min ja jäähdytettiin samalla jäähdytysnopeudella 10 K/min -20 °C:seen.

Seuraavassa taulukossa on yhteenveto mittausolosuhteista.

Taulukko 1: Mittausolosuhteet

Puhtaan PA12:n tuloksia käsiteltiin yksityiskohtaisesti tässä edellisessä blogikirjoituksessa!

Muutokset kiteytymiskäyttäytymisessä

Kuvassa 2 esitetään^ensimmäisen lämmityksen ja jäähdytyksen tulokset kaikkien neljän näytteen osalta. Kuten voidaan nähdä, täyteaineiden lisääminen ei vaikuta sulamishuipun lämpötilaan (pinta-alan ero liittyy vaihteleviin täyteainepitoisuuksiin, eikä sitä ole normalisoitu tässä kuvaajassa).

Voidaan kuitenkin havaita, että kiteytymishuippulämpötila ja kiteytymisen alkamisajankohta siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin täyteainepitoisuuden kasvaessa.

Kiteytymishuippu siirtyy 145,8 °C:sta puhtaassa materiaalissa 149,1 °C:een, kun kuparitäyteainetta on 5 tilavuusprosenttia, ja 151,3 °C:een, kun kuparitäyteainetta on 10 tilavuusprosenttia.

Voidaan päätellä, että täyteaineet toimivat nukleaatiopaikkoina ja nopeuttavat kiteytymistä. Tämä johtaa hieman pienempään prosessi-ikkunaan, ja se on otettava huomioon prosessointiolosuhteita valittaessa.

Samanlainen vaikutus havaittiin WILO SE:ssä, joka on ensiluokkainen pumppujen ja pumppujärjestelmien toimittaja lasi- ja hiilikuituja varten. Lue tapaustutkimus täältä!

Kiteytymiskäyttäytymisen parempi ymmärtäminen

Isotermisen kiteytymiskäyttäytymisen lisätutkimukset voivat olla hyödyllisiä tämän käyttäytymisen ymmärtämiseksi entistä paremmin. Tässä kuvataan yksityiskohtaisesti mittausmenetelmä täyttämättömän PA12-jauheen osalta.

LKT:n tutkijat tekivät näitä isotermisiä lisätutkimuksia 165 °C:ssa kuparitäytteisille näytteille ja havaitsivat, että kiteytymisen puoliintumisaika lyhenee täyteaineiden lisäämisen vuoksi, mikä vahvistaa entisestään nukleaatiovaikutuksen. Koko tutkimus löytyy täältä [Open Access]!

Tietoja Polymeeriteknologian instituutista (LKT)

Polymeeriteknologian instituutti on Erlangen-Nürnbergin Friedrich-Alexander-yliopiston akateeminen tutkimuslaitos. Se on yksi johtavista laitoksista additiivisen valmistuksen tutkimuksessa, erityisesti SLS-tekniikassa. Muita päätutkimusalueita ovat kevytrakenteiden suunnittelu ja lujitemuovit, materiaalit ja prosessointi, liitostekniikka ja tribologia. Näiden tutkimuspainopisteiden lisäksi instituutti työskentelee myös poikkitieteellisten aiheiden parissa, kuten täyteaineiden sekoittaminen, prosessoinnin ja sovellusten simulointi, säteilyllä silloitetut kestomuovit, hellävarainen prosessointi ja monet muut.

Lähteet

[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.