Miért folyamatfüggő az anizotróp töltőanyagok hatása a hőtágulásra

Hogyan igazodnak az anizotróp töltőanyagok az additív gyártásban

A szelektív lézersinterezés (SLS) additív gyártási eljárás során nem az olvadék, hanem a por áramlási folyamata zajlik. A pornak ez az áramlása a bevonási folyamat során az anizotróp töltőanyagokat a por áramlásának irányához igazítja, amelyet általában x-iránynak neveznek. A szálak esetében ez azt jelenti, hogy a szálak nagy része az x-irányba igazodik, néhány szál az y-irányba igazodhat, és nagyon kevés szál a z-irányba orientálódhat. A pelyhek esetében egyenletesen oszlanak el az xy-síkban, és csak kevés orientálódhat a vastagság irányában, z-ben. Ez a hatás különbözik például a fröccsöntéstől, és optikai képalkotással vagy közvetett mérésekkel, például a hőtágulási együtthatóval (Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE) vagy (α) vizsgálható és igazolható.

A rézgömbök és -pelyhek szálorientációjának meghatározása termikus analízissel

Az elemzéshez az Erlangen-Nürnbergi Egyetem Műanyagtechnológiai Intézetének (LKT) egyik tanulmányából [1] származó mintákat használtak fel.

A kutatók különböző keverékeket állítottak elő PA12 porból izotróp rézgömbökkel és anizotróp pelyhekkel, különböző tartalommal (5 és 10 vol% rézgömbök és 5 vol% rézpelyhek), hogy tanulmányozzák, hogy ezek alkalmasak-e az anyag Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességének növelésére. A NETZSCH Analizáló és Vizsgáló cégnél minden mintát a NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^® segítségével vizsgáltak meg. A hőtágulási együttható (Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE) meghatározásához a mintákat kutyacsont mintákból három különböző irányban vágták ki, az 1. ábra, x- és y-irányban: 10x5x4,5 ^mm3, z-irányban: 4.5x5x5 ^mm3.

A hőtágulást -20 és 170 ºC közötti tartományban mértük 5 K/perc fűtési sebességgel. Az összes mérési körülményt a következő táblázat foglalja össze:

Táblázat: Mérési feltételek

Töltetlen és töltött PA12 por összehasonlítása

A 2. ábra a töltetlen PA12 és az izotróp töltőanyagokkal készült keverék eredményeit mutatja.

Látható, hogy a hő tágulás a töltött rendszer esetében kisebb, mint a töltetlen rendszer esetében, még így az 5 térfogatszázalékos térfogattartalom is eléggé small.

A különböző irányokat összehasonlítva azt találjuk, hogy a hő tágulás a vastagság irányában mindkét anyag esetében kisebb. A különbség azonban még nagyobb a rézzel töltött minta esetében. Ez a rétegeken belüli (xy-síkban) eltérő megszilárdulással és részecske-tapadással magyarázható a rétegek közötti tapadáshoz képest. Ez jellemzően a mechanikai tulajdonságok változásában figyelhető meg, de Lanzl és társai [1] is megfigyelték a porozitás változásaként. Mivel a kutatók azt találták, hogy a rézzel töltött kompozitoknál nagyobb a porozitás, ez magyarázza a z és xy irányú nagyobb különbséget is. Ugyanezt a hatást figyelték meg izotróp töltőanyagként használt üveggyöngyökkel is.

Cu gömbök különböző térfogattartalmának összehasonlítása

A Cu gömbök különböző térfogattartalmainak összehasonlítása a 3. ábrán látható. A minták között nem figyelhető meg jelentős változás.

Különböző rézformák összehasonlítása

A különböző rézformák összehasonlítása 5 térfogat% töltőanyag azonos térfogattartalma mellett a 4. ábrán látható.

Ugyanilyen hangerő-tartalom mellett az irányítottság eléggé nyilvánvalóvá válik. A Cu gömbök izotróp viselkedést mutatnak. Ehhez képest a pelyhek csökkentik a Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE-t x- és y-irányban, és növelik azt z-irányban. Ennek oka a töltőanyagok igazodásában keresendő. A bevonási folyamat során a pelyhek az xy-síkban igazodnak, így ezekben az irányokban van a legkifejezettebb hatásuk. Azonban nem lépnek át a szomszédos rétegekbe, és nem mutatnak elég jelentős igazodást a z irányban ahhoz, hogy nagymértékben hozzájáruljanak a hőtáguláshoz. A Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE értéke a vastagság irányában majdnem megegyezik a PA12 mátrixanyagéval. Amint azt korábban kifejtettük, ez a viselkedés a feldolgozás és a töltőanyagok ebből adódó igazodásának közvetlen következménye.

Jobb összehasonlítás a hőtérfogat-tágulási együtthatóval

A két anyag összehasonlításához figyelembe kell venni a hőtérfogat-tágulási együtthatót. Mivel mindkét minta réz-tartalma azonos, 5 térfogat%, a térfogati Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE-nek megközelítőleg azonosnak kell lennie.

Izotróp anyagok esetében a térfogati Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE-t úgy számoljuk ki, hogy _αv = 3 _αl vagy _αv = 3 _αx

Anizotróp anyagok esetén az _αv értéke _αv = (_αx + _αy + _αz)

Az itt mért adatok alapján a Cu gömböket tartalmazó kompozit _αv értéke 482,^0×10-6 1/K, a Cu pelyheket tartalmazó kompozit _αv értéke pedig 464,^2×10-6 1/K, ami azt mutatja, hogy a teljes töltőanyag-tartalomnak van a legnagyobb hatása, de a hő tágulás különböző irányú eloszlását a töltőanyag alakja erősen befolyásolja.

Anizotróp anyagviselkedés kimutatása LFA-val

Egy másik hőelemzési módszer, amely hasznos az anizotróp anyagviselkedés kimutatására és a hőkezelési alkalmazások hatékonyságának megértésére, a lézeres villanáselemzés (LFA ) a hővezetőképesség mérésére. Olvassa el a cikkekben, hogy milyen változásokat észlelnek a rézgömböket és -pelyheket töltőanyagként tartalmazó PA12 alkatrészeknél, és hogyan használják a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás és a Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE értékeket a hővezető képesség kiszámításához.

A Polimertechnológiai Intézetről (LKT)

A Polimertechnológiai Intézet az Erlangen-Nürnbergi Friedrich-Alexander Egyetem tudományos kutatóintézete. Az intézet az egyik vezető szerepet tölti be az additív gyártás kutatásában; különösen az SLS területén. További fő kutatási területei közé tartozik a könnyűszerkezetes tervezés és az FRP, az anyagok és a feldolgozás, az illesztéstechnológia és a tribológia. Ezen kutatási fókuszok mellett az intézet olyan interdiszciplináris témákon is dolgozik, mint a töltőanyag-keverés, a feldolgozás és az alkalmazások szimulációja, a sugárzás által térhálósított hőre lágyuló műanyagok, a kíméletes feldolgozás és még sok más.

Olvasson tovább: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work

Források

[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