3D-tulostus: Polyamidi 12:n kiteytymiskinetiikka valikoivan lasersintrauksen aikana

Powder Bed Fusion (PBF), jota kutsutaan myös nimellä Selective Laser Sintering (SLS), on 3D-kappaleiden kerroksittainen rakennustekniikka, jossa lasersäde kulkee valikoivasti ennalta määritellyn alueen yli jauhekerroksessa. Lasersäde saa jauheen sulamaan, ja kun seuraava (kylmempi) jauhekerros levitetään, se saattaa käynnistää kiteytymisen. Prosessi toistetaan, kunnes koko osa on luotu. Prosessin täydellinen kuvaus löytyy SLS:ää käsittelevästä blogiartikkelistamme [2].

Yksi yleisimmin käytetyistä materiaaleista on PA12, mutta muunnoksia tai muita materiaaleja, joilla on paremmat tai erilaiset ominaisuudet, kehitetään jatkuvasti.

Ennen uuden materiaalin kanssa työskentelyä on erittäin tärkeää tuntea uuden materiaalin kiteytymiskäyttäytyminen, jotta voidaan löytää optimaaliset lämpötilat SLS-prosessia varten. Nämä lämpötilat ovat yksi sintrausprosessin tärkeimmistä parametreista, jotka vaikuttavat sintrausnopeuteen ja lopputuotteen laatuun. Yleinen kokeile ja erehdy -menetelmä on hyvin aikaa vievä ja siksi kallis. Sen sijaan uuden materiaalin kvalifiointi voidaan tehdä paljon nopeammin käyttämällä Kinetics Neo -ohjelmistoa, jolla kiteytymisnopeuden kineettinen mallintaminen perustuu DSC-tietoihin (Differential Scanning Calorimetry), minkä jälkeen prosessi simuloidaan eri lämpötilaprofiileille.

Ensin tehdään kokeelliset DSC-mittaukset , minkä jälkeen tehdään kinetiikan analyysi näistä tiedoista kineettisen mallin luomiseksi. Lopuksi mallia käytetään simuloitaessa eri käsittelylämpötilaskenaarioita optimaalisen mallin löytämiseksi.

Kokeellinen

DSC:n avulla voidaan määrittää sulamis- ja kiteytymislämpötilat lämmityksen ja jäähdytyksen aikana. Nämä lämpötilat määrittelevät SLS-tekniikan käyttölämpötilojen prosessi-ikkunan [1]. Nämä lämpötilat riippuvat kuitenkin lämmitys- ja jäähdytysnopeudesta, koska molemmat prosessit ovat aikariippuvaisia. Pienemmillä lämmitys- ja jäähdytysnopeuksilla prosessiikkuna pienenee. Tämä edellyttää isotermisiä mittauksia [2].

Isotermiset mittaukset antavat tietoa isotermisen kiteytymisen nopeudesta eri lämpötiloissa. Tämä kiteytymisnopeus riippuu materiaalin alijäähtymisasteesta. Esimerkiksi mitä alhaisempi lämpötila on, sitä korkeampi on alijäähtymisaste ja sitä suurempi on kiteytymisnopeus. Tämä riippuvuus on havaittavissa PA12:n kokeellisissa mittauksissa, jotka on tehty DSC 214:llä Polyma (kuva 1). Kokeet suoritettiin PA12-näytteillä, joiden massa oli noin 5 mg alumiinipannussa (Concavus^® Al), jossa oli suljettu kansi typen alla. Kuvassa esitetty IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.isoterminen segmentti seuraa nopeaa jäähdytysramppia sulamislämpötilan ylittävistä lämpötiloista.

Kineettinen analyysi

DSCisotermisten kiteytysmittausten kineettinen analyysi eri lämpötiloissa tehtiin NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmistolla. Ohjelmalla saatiin aikaan yksi ajasta ja lämpötilasta riippuva kineettinen malli, joka voi kuvata kaikki kokeelliset käyrät eri lämpötiloissa. Tämä malli laskee kiteytymisnopeuden kineettisen yhtälön avulla:

Kiteytymisen isotermisessä analyysissä ensimmäinen riippuvuus esitetään tyypillisesti Avramin yhtälöllä, joka kuvaa kiteytymisnopeutta.

Avramin yhtälön (4, ks. artikkelin loppu) laajennettu versio on Sestak-Berggren-yhtälö (5, ks. artikkelin loppu). Tätä laajennettua yhtälöä käytetään tässä analyysissä, koska se sopii paremmin kokeellisiin tietoihin

Riippuvuus K(T) yhtälössä (1) on muodollinen Arrheniuksen yhtälö lämpötilan alenevana funktiona, jossa on esieksponentti A ja näennäinen aktivaatioenergia E:

Tämä kineettinen malli (Eq1) esittää nykyisen kiteytymisnopeuden riippuvuuden lämpötilasta ja nykyisestä kiteytymisasteesta.

Yhtälöt sisältävät tuntemattomia parametreja, jotka ohjelmisto etsii, jotta kokeellisille käyrille saadaan paras sovitus.

Jos tämä simulointi suoritetaan isotermisten kokeiden lämpötilaolosuhteille optimaalisilla parametreilla, kokeen ja simuloinnin välillä on erittäin hyvä yhteisymmärrys, jonka arvo on^R2=0,998. Kuvassa 2 pisteet kuvaavat kokeellisia tietoja ja yhtenäiset viivat simulointia yhtälöiden (1,3,4) mukaisesti.

Simulaatiot

Tämä yksi malli toimii nyt eri lämpötiloille. Siksi sitä voidaan käyttää SLS-prosessin kiteytymisen simulointiin. Jauhepinnan lämpötilaprofiili voidaan mitata useiden syklien aikana. Tämän jälkeen voidaan suorittaa kiteytymisprosessin simulointi tälle jauhekerrokselle. Voidaan olettaa, että kullakin alemmalla kerroksella on samanlainen lämpötilaprofiili, mutta hieman alhaisemmat lämpötilat johtuen kunkin kerroksen jauhekäyttöönotosta. Näin voidaan simuloida yksittäisen kerroksen kiteytymisprosessia useiden lasersyklien aikana. Kuvassa 3 esitetään kiteytymisasteen simulointi 5 syklin aikana, jolloin jokaisen uuden syklin tai kerroksen kohdalla lämpötilaa alennettiin 2 K:lla.

Näemme, että yksi kerros ei voi kiteytyä kokonaan yhden syklin aikarajoitusten aikana, kun tämä kerros on jauhepeti päällä. KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.Kiteytyminen jatkuu kuitenkin koko SLS-prosessin ajan, kun jokaisessa syklissä syntyy uusia kerroksia. KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.Kiteytyminen useiden syklien aikana on yksi SLS:n eduista, kun tuloksena syntyvällä 3D-kappaleella on erittäin vahva kerrosten tarttuvuus ja isotrooppiset mekaaniset ominaisuudet kaikkiin suuntiin, kuten kovuus, vetolujuus ja venymä [3].

Jos jauhekerroksen paksuus kuitenkin kasvaa, kerrosten välinen lämpötilaero on suurempi. Näin voi tapahtua nopean sintrauksen aikana. Viiden syklin simulointi 5 K:n lämpötilaerolla (kuva 4) osoittaa, että pääKiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen on jo päättynyt toisen syklin aikana, kun taas kolmas kerros on jo kiinteä. Tämä epäsynkroninen KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen voi olla syynä näytteen mekaanisiin jännityksiin, vääntymiseen tai käpristymiseen, koska se kutistuu SLS-prosessin aikana. Lisäksi paksujen jauhekerrosten käyttö voi heikentää lopullisen materiaalin isotrooppisuutta.

Päätelmä

Yhdistelmä NETZSCH Kinetics NeodSC: n kanssa auttaa tutkimaan materiaalien (polymeerien) kiteytymisnopeutta ja simuloimaan niiden käyttäytymistä tällaisissa monimutkaisissa teollisissa prosesseissa, kuten 3D-tulostuksessa selektiivisellä lasersintraustekniikalla. Tämä on erittäin arvokasta, kun etsitään optimaalisia lämpötilaolosuhteita SLS:ssä käytettäville uusille materiaaleille.

Lue myös / Lähteet:

1. https://ta-NETZSCH.com/how-to-determine-the-process-window-for-sls-powders-using-dsc
2. https://ta-NETZSCH.com/how-to-study-the-isothermal-crystallization-behavior-of-sls-powder-using-dsc
3. https://3dinsider.com/sls-printing/
4. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.03.034
5. https://doi.org/10.1016/0040-6031(71)85051-7