Miten täytettyjen jauheiden ominaislämpökapasiteetti vaikuttaa SLS-käsittelyparametreihin?

Tällaisia täyteainejärjestelmiä ovat materiaalit, joilla on 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, kuten alumiini tai kupari. Jos saavutetaan korkeampi 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, lämmönhallintasovellukset ovat saavutettavissa, ja niitä voidaan edelleen parantaa SLS:n mahdollistamien monimutkaisten geometrioiden avulla. Vaikka muuttunut suorituskyky on toivottu lopullisessa komponentissa, täyteaineiden lisääminen SLS-jauheisiin vaikuttaa myös käsittelykäyttäytymiseen, ja se on ymmärrettävä, jotta rakennustyö voidaan saattaa onnistuneesti päätökseen.

Miksi kupari sopii

Esimerkiksi kupari on hyvä lämpöä johtava materiaali. Sen ominaislämpökapasiteetti on noin 0,4 J/g×K. Sen sekoittaminen PA12-jauheeseen johtaa varmasti seoksen ominaislämpökapasiteetin pienenemiseen. Näin ollen seoksen kyky varastoida lämpöä vähenee, lämpö poistuu nopeammin ja rakenteen lämpötasapaino voi muuttua. Lue lisää täyttämättömien PA12-jauheiden _{cp-mittauksista} täältä!

Näytteiden valmistelu analyysia varten

Erlangen-Nürnbergin yliopiston polymeeriteknologian instituutissa (LKT) tehdyssä tutkimuksessa valmistettiin ja käsiteltiin EOS Formiga P110 -koneella erilaisia seoksia, joissa kuparipallot ja -hiutaleet vaihtelivat. Näytteet vaihtelivat sekä täyteaineen muodon (pallot ja hiutaleet) että tilavuuspitoisuuden (5 ja 10 %) suhteen.

^{Energiatiheys1} 0,043 ^J/mm2 pidettiin vakiona kaikille materiaaleille, jotta voitiin havaita mahdolliset täyteaineista johtuvat muutokset prosessin käyttäytymisessä. Käsittelyn aikana 10 tilavuusprosentin kuparihiutaleista ei voitu valmistaa näytteitä. Kuparipalloja sisältävän seoksen prosessilämpötila määritettiin 167 °C:ksi ja kuparihiutaleiden kanssa 173 °C:ksi.

Ominaislämpökapasiteetin mittaaminen

NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® -laitteella mitattiin PA12-jauheen ja kuparihiukkasten seosten 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} lämpötilan funktiona verrattuna puhtaaseen PA12-materiaaliin. Mittaukset suoritettiin ASTM E1269- ja ISO 11357-4 -standardien mukaisesti.

Alkujäähdytyksen jälkeen -25 °C:seen lämpötila nostettiin 215 °C:seen nopeudella 10 K/min. Kaksi eri näytettä mitattiin ja keskiarvo laskettiin. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto mittausolosuhteista.

Taulukko 1: Mittausolosuhteet

Mittaustietojen analysointi älykkäällä ohjelmistolla

Analyysi NETZSCH Proteus^® ohjelmiston analyysi on esitetty kuvassa 1. Siinä esitetään PA12-näytteen "näennäinen" ominaislämpökapasiteetti, jossa on 5 tilavuusprosenttia kuparipalloja, sekä sulamisen ja lasittumisen vaikutukset.

_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.

Kuvassa 2 esitetään _{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-arvot} interpoloinnin jälkeen kaikkien neljän näytteen osalta.

Odotetusti voidaan havaita, että _cp kasvaa lämpötilan kasvaessa. Lisäkuparipitoisuus pienentää _cp:tä, eikä täyteaineen geometrian vaikutusta voida havaita. LKT:n tutkijat jopa vahvistivat, että _cp:n pieneneminen kuparipitoisuuden kasvaessa noudattaa seossääntöä. He kuitenkin mittasivat _cp:n vain 25 °C:ssa. Kuvassa 2 esitetyt lämpötilariippuvaiset mittaukset osoittavat lisäksi, että _cp:n nousun kaltevuus lämpötilan mukana pienenee hieman, mitä enemmän kuparihiukkasia seoksessa on.

Mittaukset vahvistavat, että _cp:n muutos voi vaikuttaa siihen, että 3D-tulostuksen aikana tarvitaan enemmän energiaa. Lämmönjohtavuudesta tarvitaan kuitenkin lisätietoja, jotta voidaan arvioida molempien vaikutusten vaikutusta lämpöolosuhteisiin.

On huomattava, että tämä käyttäytyminen on yleispätevää kaikille muovimateriaaleille, jotka on muunnettu lämpöä johtavilla täyteaineilla. Siksi se on tärkeä suure, joka on mitattava jäähdytyslevyjen tai muiden lämmönhallinnassa tarvittavien komponenttien suunnittelua ja ruiskuvalusimulointia varten.

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.

^{1Energiatiheys}= Kuinka paljon energiaa järjestelmä sisältää tilavuuteensa nähden