01.11.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Doreen Rapp
Miksi anisotrooppisten täyteaineiden vaikutus lämpölaajenemiseen on prosessiriippuvainen?
Anisotrooppiset täyteaineet vähentävät materiaalin kutistumista ja parantavat sen mittapysyvyyttä. Täyteaineen muodolla on tärkeä merkitys. Isotrooppisia täyteaineita ovat helmet tai mikä tahansa muoto, jonka kuvasuhde on 1. Täyteaineita, joiden kuvasuhde on suurempi, ovat hiutaleet ja kuidut, joilla on kaksi ja kuiduilla vain yksi suosimissuunta.tällaisten täyteaineiden lisääminen ei ainoastaan vähennä kokonaiskutistumaa, vaan vähentää sitä eri tavoin eri suuntiin riippuen täyteaineen suuntautumisesta kappaleissa.
Tämä on yleisesti havaittavissa muovien käsittelyssä, jossa matriisiin lisätään täyteaineita, kuten kuituja, mekaanisen suorituskyvyn parantamiseksi. Tällaisten kuitutäyteaineiden suuntaus riippuu käsittelyolosuhteista ja ennen kaikkea virtausolosuhteista, kuten tässä selitetään yksityiskohtaisesti ruiskuvaluprosessin osalta.
Miten anisotrooppiset täyteaineet kohdistuvat additiivisessa valmistuksessa
Valikoivan lasersintrauksen (SLS) additiivisessa valmistusprosessissa ei tapahdu sulan, vaan jauheen virtausprosesseja. Tämä jauheen virtaus pinnoitusprosessin aikana kohdistaa anisotrooppiset täyteaineet jauheen virtaussuuntaan, jota yleisesti kutsutaan x-suunnaksi. Kuitujen tapauksessa tämä tarkoittaa, että suurin osa kuiduista on suuntautunut x-suuntaan, osa saattaa suuntautua y-suuntaan ja hyvin vähän saattaa suuntautua z-suuntaan. Hiutaleiden tapauksessa ne jakautuvat tasaisesti xy-tasoon ja vain harvat saattavat suuntautua paksuuden suuntaan z. Tämä vaikutus eroaa esimerkiksi ruiskuvalusta, ja sitä voidaan tutkia ja vahvistaa optisella kuvantamisella tai epäsuorilla mittauksilla, kuten lämpölaajenemiskertoimella (Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE) tai (α).
Kuparipallojen ja -hiutaleiden kuitujen suuntautumisen määrittäminen lämpöanalyysillä
Analyysissä käytettiin Erlangen-Nürnbergin yliopiston muovitekniikan instituutin (LKT) tutkimuksesta [1] peräisin olevia näytteitä.
Tutkijat valmistivat erilaisia seoksia PA12-jauheesta, jossa oli isotrooppisia kuparipalloja ja anisotrooppisia hiutaleita eri pitoisuuksina (5 ja 10 tilavuusprosenttia kuparipalloja ja 5 tilavuusprosenttia kuparihiutaleita) tutkiakseen niiden soveltuvuutta materiaalin lämmönjohtavuuden lisäämiseen. Osoitteessa NETZSCH Analyzing & Testing kaikki näytteet analysoitiin käyttäen NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion®. Lämpölaajenemiskertoimen (Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE) määrittämiseksi näytteet leikattiin koiranluunäytteistä kolmessa eri suunnassa, kuvan 1, x- ja y-suunnassa: 10x5x4,5 mm3, z-suunta: 4.5x5x5 mm3.
Lämpölaajeneminen mitattiin -20-170 ºC:n lämpötilavälillä käyttäen lämmitysnopeutta 5 K/min. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto kaikista mittausolosuhteista:
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Näytteen pidike | Paisunta, valmistettu SiO2:sta |
| Näytteen kuormitus | 50 mN |
| Atmosfääri | He |
| Kaasun virtausnopeus | 50 ml/min |
| Lämpötila-alue | -20...170°C lämmitysnopeudella 5 K/min |
Täyttämättömän ja täytetyn PA12-jauheen vertailu
Kuvassa 2 esitetään tulokset täyttämättömästä PA12:sta ja seoksesta, jossa on isotrooppisia täyteaineita.
Voidaan nähdä, että lämpölaajeneminen on täytetyssä järjestelmässä pienempi kuin täyttämättömässä järjestelmässä, vaikka 5 tilavuusprosentin tilavuuspitoisuus on melko small.
Verrattaessa eri suuntia havaitaan, että lämpölaajeneminen paksuuden suunnassa on pienempi molemmilla materiaaleilla. Ero on kuitenkin vielä suurempi kuparilla täytetyllä näytteellä. Tämä voidaan selittää erilaisella jähmettymisellä ja hiukkasten tarttumisella kerroksen sisällä (xy-tasossa) verrattuna kerrosten väliseen tarttumiseen. Tämä havaitaan tyypillisesti mekaanisten ominaisuuksien muutoksina, mutta Lanzl et al. [1] havaitsivat sen myös huokoisuuden muutoksena. Koska tutkijat havaitsivat, että huokoisuus on suurempi kuparitäytteisillä komposiiteilla, se selittää myös suuremman eron z- ja xy-suunnan välillä. Sama vaikutus havaittiin lasihelmillä isotrooppisina täyteaineina.
Cu-pallojen eri tilavuuspitoisuuksien vertailu
Cu-pallojen eri tilavuuspitoisuuksien vertailu on esitetty kuvassa 3. Näytteiden välillä ei ole havaittavissa merkittävää muutosta.
Eri kuparimuotojen vertailu
Kuvassa 4 esitetään eri kuparimuotojen vertailu samalla 5 tilavuusprosentin täyteainepitoisuudella.
Samalla äänenvoimakkuuspitoisuudella suuntautuneisuus tulee varsin ilmeiseksi. Cu-pallot käyttäytyvät isotrooppisesti. Sen sijaan hiutaleet alentavat Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE:tä x- ja y-suunnassa ja lisäävät sitä z-suunnassa. Syynä on täyteaineiden suuntautuminen. Pinnoitusprosessin aikana hiutaleet kohdistetaan xy-tasossa, jolloin niillä on voimakkain vaikutus näissä suunnissa. Ne eivät kuitenkaan siirry viereisiin kerroksiin tai kohdistu riittävän merkittävästi z-suunnassa, jotta niillä olisi suuri vaikutus lämpölaajenemiseen. Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE:n arvo paksuuden suunnassa on lähes sama kuin matriisimateriaalin PA12:n. Kuten aiemmin selitettiin, tämä käyttäytyminen on suora seuraus prosessoinnista ja siitä johtuvasta täyteaineiden kohdentumisesta.
Parempi vertailu lämpömäärän laajenemiskertoimeen
Näiden kahden materiaalin vertailemiseksi on otettava huomioon lämpölaajenemiskerroin. Koska molemmissa näytteissä on sama kuparipitoisuus (5 tilavuusprosenttia), tilavuuslaajenemiskertoimen pitäisi olla suunnilleen sama.
Isotrooppisille materiaaleille tilavuus Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE lasketaan seuraavasti: αv = 3 αl tai αv = 3 αx
Anisotrooppisille materiaaleille αv saadaan kaavalla αv = (αx + αy + αz)
Tässä mitattujen tietojen perusteella Cu-palloja sisältävän komposiitin αv on 482,0 × 10-6 1/K ja Cu-hiutaleita sisältävän komposiitin αv on 464,2 × 10-6 1/K, mikä osoittaa, että täyteainepitoisuudella on suurin vaikutus, mutta täyteaineen muoto vaikuttaa voimakkaasti lämpölaajenemisen jakautumiseen eri suuntiin.
Anisotrooppisen materiaalin käyttäytymisen havaitseminen LFA:n avulla
Toinen lämpöanalyysimenetelmä, joka on hyödyllinen anisotrooppisen materiaalikäyttäytymisen havaitsemiseksi ja niiden tehokkuuden ymmärtämiseksi lämmönhallintasovelluksissa, on laserleimausanalyysi (LFA ), jolla mitataan lämpödiffuusiokykyä. Lue artikkeleista, mitä muutoksia havaitaan PA12-osissa, joissa on kuparipalloja ja -hiutaleita täyteaineina, ja miten lämpödiffuusiokykyä, ominaislämpökapasiteettia ja CTE:tä käytetään lämmönjohtavuuden laskemiseen.
Tietoja Polymeeriteknologian instituutista (LKT)
Polymeeriteknologian instituutti on Erlangen-Nürnbergin Friedrich-Alexander-yliopiston akateeminen tutkimuslaitos. Se on yksi johtavista laitoksista additiivisen valmistuksen, erityisesti SLS:n, tutkimuksessa. 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.
Lue myös: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work
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, s. 1801-1809, 2019: Kuparitäytteisen polyamidi 12:n selektiivinen lasersintraus: jauheen ominaisuuksien ja prosessikäyttäytymisen karakterisointi - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library