Ominaislämpökapasiteetin mittaaminen SLS-prosessien simuloimiseksi

SLS-prosessin (Selective Laser Sintering) aikana aiemmin sulatetut kerrokset katoavat jauhepetiimme, jota ympäröi sintraamaton jauhe. Siksi alempien kerrosten lämpötilakenttää koskevia tietoja on vaikea mitata. Näin ollen SLS-prosessin mallintamiseksi ja simuloimiseksi on tehty merkittäviä ponnisteluja. Kaksi tässä olennaista suureen ovat ominaislämpökapasiteetti (_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp}) ja lämmönjohtavuus (k) lämpötilan funktiona. Kun täyteaineita lisätään, ne eivät ainoastaan muuta kiteytymisnopeutta, vaan ne vaativat myös korkeamman valmistuslämpötilan _{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp}:n ja k:n muutoksen vuoksi.

Miten määritetään ominaislämpökapasiteetti

Eri materiaalien ominaislämpökapasiteetin määrittämiseksi lämpötilan funktiona käytetään differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC ). Lämpökapasiteetti määritellään lämpömääräksi, joka tarvitaan nostamaan 1 g aineen lämpötilaa 1 °C:lla, kun paine p pidetään vakiona. Sitä kuvataan lämmön johtumisen yhtälöllä:

DIN EN ISO 11357-4:n (ja ASTM E1269:n) mukaisesti näyte mitataan suhteessa toiseen (vertailu)näytteeseen, jonka lämpökapasiteetti tunnetaan. Tyypillinen vertailunäyte on safiiri. Yksi koe koostuu siis kolmesta eri ajosta kiinnostavalla lämpötila-alueella. Ensimmäinen on mittaus kahdella tyhjällä pannulla (perusmittaus), toinen mittaus yhdellä pannulla, joka sisältää safiirinäytteen (referenssinäyte), ja lopuksi kolmas mittaus, jossa varsinainen näyte (näyte) on samantyyppisessä pannussa.

_Cp näytteen lämpötilan funktiona voidaan laskea seuraavasti:

_{Cp-mittausten} suorittaminen SLS-polymeerijauhenäytteistä

Tässä esimerkissä polymeerijauheen, tarkemmin sanottuna PA12:n, mittaukset suoritettiin käyttämällä NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® -laitteistoa standardin mukaisesti. Alkujäähdytyksen jälkeen -25 °C:een lämpötila nostettiin 215 °C:een 10 K/min. Kaksi eri näytettä mitattiin ja niiden keskiarvo laskettiin. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto kaikista mittausolosuhteista:

Taulukko 1: Mittausolosuhteet

Analyysi NETZSCH Proteus^® ohjelmiston analyysi on esitetty kuvassa 1. Siinä näkyy "näennäinen" ominaislämpökapasiteetti, jonka päälle on asetettu sulamispiikki ja lasisiirtymä.

_Cp-tiedot voidaan helposti päätellä tästä käyrästä. Lämpötila-alueella 90-190 °C _{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp}:n nousun ja sulamisen endotermisen vaikutuksen vaikutus ovat kuitenkin vastakkaisia. Tämän vuoksi sulamisalueella olevat arvot interpoloidaan tyypillisesti. Tässä esitetyn PA12:n tapauksessa interpolointi suoritetaan 90 °C:n (2,348 J/gK) ja 200 °C:n (2,7 J/gK) välillä, jotka on merkitty kuvaajaan. Arvot voidaan sitten viedä käytettäväksi myöhemmin materiaali- ja prosessisimuloinneissa, esimerkiksi SLS-prosessin lämpötilahakemistossa ja jähmettymisessä. Toinen tietojen käyttösovellus on lämmönjohtavuuden laskeminen lämpöhajonta- ja tiheystiedoista.