Pourquoi l'effet des charges anisotropes sur la dilatation thermique dépend-il du processus ?

Comment les charges anisotropes s'adaptent à la fabrication additive

Dans le processus de fabrication additive par FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage sélectif au laser (SLS), il n'y a pas de processus d'écoulement de la matière fondue, mais de la poudre. Cet écoulement de la poudre au cours du processus de revêtement aligne les charges anisotropes dans la direction de l'écoulement de la poudre, communément appelée direction x. Dans le cas des fibres, cela signifie que la plupart des fibres sont alignées dans la direction x, certaines peuvent être alignées dans la direction y et très peu peuvent être orientées dans la direction z. Dans le cas des flocons, ils sont alignés dans la direction z. Dans le cas des flocons, ils sont uniformément répartis dans le plan xy et seuls quelques-uns peuvent être orientés dans la direction de l'épaisseur, z. Cet effet est différent de celui du moulage par injection, par exemple, et peut être étudié et confirmé à l'aide de l'imagerie optique ou de mesures indirectes telles que le coefficient de dilatation thermique (Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE) ou (α).

Détermination de l'orientation des fibres des sphères et des paillettes de cuivre par analyse thermique

Pour l'analyse, des échantillons provenant d'une étude [1] de l'Institut de technologie des plastiques (LKT) de l'Université d'Erlangen-Nuremberg ont été utilisés.

Les chercheurs ont produit différents mélanges de poudre de PA12 avec des sphères de cuivre isotropes et des paillettes anisotropes à des teneurs variables (5 et 10 % de sphères de cuivre et 5 % de paillettes de cuivre) afin d'étudier leur capacité à augmenter la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique du matériau. À NETZSCH Analyzing & Testing, tous les échantillons ont été analysés à l'aide du TMA 402 deNETZSCH F1 Hyperion^® . Pour déterminer le coefficient de dilatation thermique (CTE), des échantillons ont été découpés dans des spécimens d'os de chien dans trois directions différentes, Figure 1, directions x et y. Les échantillons de 10x5x4,5 mm ont été découpés dans des spécimens d'os de chien dans trois directions différentes, Figure 2, directions x et y : 10x5x4,5^mm3, direction z : 4.5x5x5 ^mm3.

Illustration d'une éprouvette pour l'analyse de la dilatation thermique, montrant les dimensions et les axes du revêtement en poudre dans la fabrication additive.

La dilatation thermique a été mesurée dans une plage allant de -20 à 170 ºC en utilisant une vitesse de chauffage de 5 K/min. Toutes les conditions de mesure sont résumées dans le tableau suivant :

Tableau 1 : Conditions de mesure

Porte-échantillon	Expansion, en _SiO2
Charge sur l'échantillon	50 mN
Atmosphère	Il
Débit de gaz	50 ml/min
Plage de température	-20...170°C à une vitesse de chauffage de 5 K/min

Comparaison de la poudre de PA12 non chargée et chargée

La figure 2 montre les résultats pour le PA12 non chargé et le mélange avec des charges isotropes.

Expansion thermique mesurée du PA12 avec des sphères de Cu de 5 % par rapport au PA12 non chargé, montrant des changements de longueur dépendant de la direction. — Figure 2 : Variation de longueur mesurée en fonction de la température de l'échantillon de PA12 pur par rapport à l'échantillon contenant 5 % de sphères de Cu dans 3 directions différentes

On peut constater que la dilatation thermique est plus faible pour le système rempli que pour le système non rempli, même si la teneur en volume de 5 % est assez élevée ( small).

En comparant les différentes directions, nous constatons que la dilatation thermique dans le sens de l'épaisseur est plus faible pour les deux matériaux. Cependant, la différence est encore plus importante pour l'échantillon rempli de cuivre. Cela peut s'expliquer par la différence de solidification et d'adhésion des particules à l'intérieur d'une couche (dans le plan xy) par rapport à l'adhésion entre les couches. Ce phénomène est généralement observé par des changements dans les propriétés mécaniques, mais a également été observé par Lanzl et al [1] comme un changement dans la porosité. Comme les chercheurs ont constaté que la porosité est plus élevée avec les composites remplis de cuivre, cela explique également la différence plus importante entre les directions z et xy. Le même effet a été observé avec des billes de verre comme charges isotropes.

Comparaison de différents volumes de sphères de Cu

La comparaison entre les différentes teneurs en volume des sphères de Cu est présentée dans la figure 3. Aucun changement significatif n'est observé entre les échantillons.

HFM 446 de Netzsch, un analyseur de conductivité thermique compact, dispose d'un affichage numérique et d'une sortie papier. — Figure 3 : Variation de longueur mesurée en fonction de la température des deux échantillons contenant 5 et 10 % de sphères de Cu dans 3 directions différentes

Comparaison de différentes formes de cuivre

La comparaison des différentes formes de cuivre à la même teneur en volume de 5 % de matériau d'apport est illustrée à la figure 4.

Changement de longueur mesuré du PA12 avec 5 vol% de sphères de cuivre par rapport aux paillettes dans trois directions, illustrant le comportement de dilatation thermique. — Figure 4 : Variation de longueur mesurée en fonction de la température des échantillons contenant des sphères et des paillettes de 5 % de Cu, respectivement, dans 3 directions différentes

À volume égal, la directionnalité devient tout à fait évidente. Les sphères de Cu présentent un comportement isotrope. En comparaison, les paillettes réduisent l'ETR dans les directions x et y et l'augmentent dans la direction z. La raison en est l'alignement des charges. La raison en est l'alignement des charges. Au cours du processus de revêtement, les flocons sont alignés dans le plan xy, ce qui produit l'effet le plus prononcé dans ces directions. Cependant, elles ne traversent pas les couches voisines et ne présentent pas un alignement suffisamment important dans la direction z pour apporter une contribution considérable à la dilatation thermique. La valeur de l'ETR dans le sens de l'épaisseur est presque la même que celle du matériau de la matrice, le PA12. Comme expliqué précédemment, ce comportement est une conséquence directe du traitement et de l'alignement des charges qui en découle.

Meilleure comparaison avec le coefficient de dilatation thermique

Pour comparer les deux matériaux, il faut tenir compte du coefficient de dilatation thermique du volume. Comme les deux échantillons ont la même teneur en cuivre (5 %), le coefficient de dilatation volumique devrait être à peu près le même.

Pour les matériaux isotropes, le coefficient de dilatation volumique est calculé comme suit : _αv = 3 _αl ou _αv = 3 _αx

Pour les matériaux anisotropes, _αv est donné par _αv = (_αx + _αy + _αz)

En utilisant les données mesurées ici, _αv du composite avec des sphères de Cu est de 482,^0×10-6 1/K et _αv du composite avec des paillettes de Cu est de 464,^2×10-6 1/K, montrant que le contenu global de la charge a la plus grande influence, mais que la distribution de l'expansion thermique dans différentes directions est fortement affectée par la forme de la charge.

Détection du comportement anisotrope des matériaux à l'aide de la LFA

Une autre méthode d'analyse thermique utile pour détecter le comportement anisotrope des matériaux et comprendre leur efficacité pour les applications de gestion thermique est l'analyse flash laser (LFA) pour mesurer la diffusivité thermique. Lisez dans les articles les changements détectés dans les pièces en PA12 avec des sphères et des paillettes de cuivre comme charges et comment la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique, la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique et l'ECU sont utilisés pour calculer la conductivité thermique.

À propos de l'Institut de technologie des polymères (LKT)

L'Institut de technologie des polymères est un institut de recherche universitaire de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg. Il est l'un des leaders de la recherche sur la fabrication additive, en particulier sur le SLS. Outre ces domaines de recherche, l'institut travaille également sur des sujets interdisciplinaires tels que le mélange de matériaux d'apport, la simulation du traitement et des applications, les thermoplastiques réticulés par rayonnement, le traitement doux et bien d'autres encore.

Sources

[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 : Selective laser sintering of copper filled polyamide 12 : Characterization of powder properties and process behavior - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library