impression 3D : Cinétique de cristallisation du polyamide 12 lors du frittage sélectif par laser

La Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion sur lit de poudre (PBF), également appelée FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage sélectif par laser (SLS), est la technologie de construction couche par couche d'objets en 3D, dans laquelle un faisceau laser passe sélectivement sur une zone prédéfinie de la couche de poudre. Le faisceau laser fait fondre la poudre et, lors de l'application de la couche suivante de poudre (plus froide), il peut déclencher la CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation. Ce processus est répété jusqu'à ce que la pièce entière soit créée. Une description complète du processus est disponible dans notre article de blog sur la SLS [2].

L'un des matériaux les plus utilisés est le PA12, mais des modifications ou d'autres matériaux aux propriétés améliorées ou différentes sont constamment développés.

Avant de travailler avec un nouveau matériau, il est très important de connaître le comportement de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation du nouveau matériau afin de trouver les températures optimales pour le processus SLS. Ces températures sont l'un des principaux paramètres du processus de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage, car elles influencent la vitesse de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage ainsi que la qualité du produit final. L'approche habituelle par essais et erreurs prend beaucoup de temps et est donc coûteuse. En revanche, la qualification d'un nouveau matériau peut être entreprise beaucoup plus rapidement en utilisant le logiciel Kinetics Neo pour la modélisation cinétique du taux de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation sur la base des données de calorimétrie différentielle à balayage (DSC), suivie d'une simulation du processus pour différents profils de température.

Tout d'abord, les mesures expérimentales DSC sont effectuées, suivies d'une analyse cinétique sur ces données pour créer le modèle cinétique. Enfin, le modèle est utilisé pour simuler différents scénarios de température de traitement afin de trouver le scénario le plus optimal.

Expérimental

La DSC permet de déterminer les températures defusion et de cristallisation pendant le chauffage et le refroidissement. Ces températures définissent la fenêtre des températures de travail pour la technologie SLS [1]. Toutefois, ces températures dépendent des vitesses de chauffage et de refroidissement, car les deux processus dépendent du temps. Pour des vitesses de chauffage et de refroidissement plus faibles, la fenêtre du processus sera réduite. Cela nécessite des mesures isothermes [2].

Les mesures isothermes fournissent des informations sur la vitesse de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisationIsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme à différentes températures. Cette vitesse de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation dépend du degré de surfusion d'un matériau. Par exemple, plus la température est basse, plus le degré de surfusion est élevé et donc plus la vitesse de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée. cristallisation est importante. Cette dépendance est notable dans les mesures expérimentales pour le PA12, effectuées avec le DSC 214 Polyma (Fig.1). Les expériences ont été réalisées sur des échantillons de PA12 d'une masse d'environ 5 mg dans une casserole en aluminium (Concavus^® Al) avec un couvercle fermé sous azote. Le segment IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme illustré ici suit une rampe de refroidissement rapide à partir de températures supérieures à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion.

Analyse cinétique

L'analyse cinétique des mesures de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée. cristallisationisotherme DSC, à différentes températures, a été réalisée à l'aide du logicielNETZSCH Kinetics Neo. Il fournit un modèle cinétique dépendant du temps et de la température, qui peut décrire toutes les courbes expérimentales à différentes températures. Ce modèle calcule la vitesse de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée. cristallisation par l'équation cinétique :

Dans l'analyse IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme de la CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée. cristallisation, la première dépendance est généralement représentée par l'équation d'Avrami, qui représente le taux de nucléation de la CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation.

La version étendue de l'équation d'Avrami (4, voir fin de l'article) est l'équation de Sestak-Berggren (5, voir fin de l'article). Cette équation étendue est utilisée dans la présente analyse parce qu'elle correspond mieux aux données expérimentales

La dépendance K(T) dans l'Eq(1) est une équation d'Arrhenius formelle en tant que fonction décroissante de la température avec le pré-exponent A et l'énergie d'activation apparente E :

Ce modèle cinétique (Eq1) présente la dépendance du taux de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation actuel en fonction de la température et du degré de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation actuel.

Les équations contiennent des paramètres inconnus, qui sont trouvés par le logiciel afin de déterminer le meilleur ajustement pour les courbes expérimentales.

Si cette simulation est réalisée pour les conditions de température des expériences isothermes avec des paramètres optimaux, il y aura un très bon accord entre l'expérience et la simulation avec^R2=0,998. Dans la figure 2, les points représentent les données expérimentales et les lignes pleines, la simulation, selon les équations (1,3,4).

Simulations

Ce modèle unique fonctionne désormais pour différentes températures. Il peut donc être utilisé pour simuler la CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation dans le processus SLS. Le profil de température de la surface de la poudre peut être mesuré sur la durée de plusieurs cycles. Nous pouvons ensuite effectuer une simulation du processus de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée. cristallisation pour cette couche de poudre. On peut supposer que chaque couche inférieure présente un profil de température similaire, mais avec des températures légèrement réduites en raison de l'application de la poudre pour chaque couche. La figure 3 présente la simulation du degré de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée. cristallisation sur 5 cycles où, pour chaque nouveau cycle ou couche, la température a été réduite de 2 K.

On constate qu'une couche ne peut pas cristalliser complètement pendant les contraintes temporelles d'un cycle, lorsque cette couche se trouve au-dessus du lit de poudre. Cependant, la CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée. cristallisation se poursuit tout au long du processus SLS, chaque cycle produisant de nouvelles couches. La CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée. cristallisation au cours de plusieurs cycles est l'un des avantages du procédé SLS, lorsque l'objet 3D obtenu présente une très forte adhérence des couches et des propriétés mécaniques isotropes dans toutes les directions, telles que la dureté, la résistance à la traction et l'élongation [3].

Toutefois, si l'épaisseur de la couche de poudre augmente, la différence de température entre les couches sera plus importante. Cela peut se produire lors d'un FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage à grande vitesse. La simulation sur 5 cycles avec une différence de température de 5 K (figure 4) montre que la cristallisation principale est déjà terminée au cours du deuxième cycle, alors que la troisième couche est déjà solide. Cette cristallisation asynchrone pourrait être à l'origine des contraintes mécaniques, du gauchissement ou de l'enroulement de l'échantillon en raison de son rétrécissement au cours du processus SLS. En outre, l'utilisation de couches de poudre épaisses pourrait réduire l'isotropie du matériau final.

Conclusion

La combinaison de NETZSCH Kinetics Neo et de DSC permet d'étudier la vitesse de cristallisation des matériaux (polymères) et de simuler leur comportement dans le cadre de processus industriels complexes tels que l'impression 3D par la technologie du FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage sélectif par laser. Ceci est très utile pour rechercher les conditions optimales de température pour les nouveaux matériaux utilisés dans le SLS.

Lire aussi / Sources :

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