3D nyomtatás: Poliamid 12 kristályosodási kinetikája szelektív lézersinterezés során

A porágyfúzió (Powder Bed Fusion, PBF), más néven szelektív lézersinterezés (Selective Laser Sintering, SLS) a 3D tárgyak rétegenkénti építési technológiája, ahol egy lézersugár szelektíven végigfut egy előre meghatározott területen a porrétegen. A lézersugár hatására a por megolvad, és a következő (hidegebb) porréteg felhordásakor kristályosodást indíthat el. Ez a folyamat addig ismétlődik, amíg a teljes alkatrész létre nem jön. A folyamat teljes leírása megtalálható az SLS-ről szóló blogcikkünkben [2].

Az egyik legszélesebb körben használt anyag a PA12, de folyamatosan fejlesztik a módosításokat vagy más, jobb vagy eltérő tulajdonságokkal rendelkező anyagokat.

Mielőtt egy új anyaggal dolgoznánk, nagyon fontos ismerni az új anyag kristályosodási viselkedését, hogy megtaláljuk az SLS-folyamat optimális hőmérsékletét. Ezek a hőmérsékletek a szinterelési folyamat egyik fő paraméterei, amelyek befolyásolják a SzinterezésA szinterezés olyan gyártási eljárás, amelynek során kerámia- vagy fémporból mechanikailag erős testet alakítanak ki. szinterezés sebességét és a végtermék minőségét. A szokásos próba-hiba megközelítés nagyon időigényes és ezért költséges. Ezzel szemben egy új anyag minősítése sokkal gyorsabban elvégezhető a Kinetics Neo szoftver segítségével, amely a kristályosodási sebesség kinetikai modellezésére szolgál a differenciál pásztázó kalorimetria (DSC) adatai alapján, majd a folyamat szimulációjára különböző hőmérsékleti profilok esetén.

Először a kísérleti DSC-méréseket végzik el, majd ezeken az adatokon kinetikai elemzést végeznek a kinetikai modell létrehozásához. Végül a modellt a különböző feldolgozási hőmérsékleti forgatókönyvek szimulálásakor használják a legoptimálisabb forgatókönyv megtalálása érdekében.

Kísérleti

A DSC lehetővé teszi az olvadási és kristályosodási hőmérséklet meghatározását a melegítés és hűtés során. Ezek a hőmérsékletek határozzák meg az SLS-technológia munkahőmérsékleteinek folyamatablakát [1]. Ezek a hőmérsékletek azonban függnek a fűtési és hűtési sebességtől, mivel mindkét folyamat időfüggő. Alacsonyabb fűtési és hűtési sebesség esetén a folyamatablak csökken. Ehhez IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus mérésekre van szükség [2].

Az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus mérések információt szolgáltatnak az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikusKristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás sebességéről különböző hőmérsékleteken. Ez a kristályosodási sebesség függ az anyag túlhűtésének mértékétől. Például minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál nagyobb a szuprahűlés mértéke, és ezért annál nagyobb a kristályosodási sebesség. Ez a függés a PA12-re vonatkozó, DSC 214 Polyma (1. ábra). A kísérleteket körülbelül 5 mg tömegű PA12 mintákkal végeztük alumínium serpenyőben (Concavus^® Al) zárt fedéllel, nitrogén alatt. Az itt látható izoterm szakasz az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérséklet feletti hőmérsékletekről egy gyors lehűlési rámpát követ.

Kinetikai elemzés

A DSCizotermikus kristályosítási mérések kinetikai elemzését különböző hőmérsékleteken a NETZSCH Kinetics Neo szoftver segítségével végeztük el. Ez egy kinetikai modellt adott az idő és a hőmérséklet függvényében, amely képes leírni az összes kísérleti görbét különböző hőmérsékleteken. Ez a modell a kinetikai egyenlet segítségével számítja ki a kristályosodási sebességet:

A KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodásIzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus analízisében az első függőséget tipikusan az Avrami-egyenlet képviseli, amely a KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás magképződési sebességét jelenti.

Az Avrami-egyenlet (4, lásd a cikk végén) kibővített változata a Sestak-Berggren-egyenlet (5, lásd a cikk végén). Ezt a kibővített egyenletet használjuk a jelenlegi elemzésben, mert jobban illeszkedik a kísérleti adatokhoz

Az (1. egyenletben szereplő K(T) függés egy formális Arrhenius-egyenlet, amely a hőmérséklet csökkenő függvénye, A preexponenssel és E látszólagos aktiválási energiával:

Ez a kinetikai modell (1. egyenlet) az aktuális kristályosodási sebesség függését mutatja be a hőmérséklettől és az aktuális kristályosodási foktól.

Az egyenletek ismeretlen paramétereket tartalmaznak, amelyeket a szoftver talál meg a kísérleti görbékhez való legjobb illeszkedés meghatározása érdekében.

Ha ezt a szimulációt az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus kísérletek hőmérsékleti körülményeihez optimális paraméterekkel végezzük el, akkor nagyon jó egyezés lesz a kísérlet és a szimuláció között,^R2=0,998 értékkel. A 2. ábrán a pontok a kísérleti adatokat, a folytonos vonalak pedig a szimulációt ábrázolják az (1,3,4) egyenletek szerint.

Szimulációk

Ez az egyetlen modell most már különböző hőmérsékleteken működik. Ezért használható az SLS-folyamatban történő KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás szimulációjára. A porfelület hőmérsékleti profilja több ciklus időtartama alatt mérhető. Ezután lefuttathatjuk a kristályosodási folyamat szimulációját erre a porrétegre. Feltételezhető, hogy minden egyes alsó réteg hasonló hőmérsékleti profillal rendelkezik, de az egyes rétegeknél a por alkalmazása miatt kissé csökkentett hőmérsékletekkel. Így szimulálhatjuk egyetlen réteg kristályosodási folyamatát több lézerciklus alatt. A 3. ábra a kristályosodási fok szimulációját mutatja be 5 cikluson keresztül, ahol minden egyes új ciklus vagy réteg esetében a hőmérsékletet 2 K-mal csökkentettük.

Látható, hogy egy réteg nem tud teljesen kikristályosodni egy ciklus időkorlátjai alatt, ha ez a réteg a porágy tetején van. A KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás azonban az SLS-folyamat során folytatódik, mivel minden egyes ciklusban újabb rétegek keletkeznek. A több ciklus alatt történő KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás az SLS egyik előnye, amikor a keletkező 3D tárgy nagyon erős rétegtapadással és minden irányban izotróp mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint például keménység, szakítószilárdság és nyúlás [3].

Ha azonban a porréteg vastagságát növeljük, akkor a rétegek közötti hőmérsékletkülönbség nagyobb lesz. Ez nagy sebességű SzinterezésA szinterezés olyan gyártási eljárás, amelynek során kerámia- vagy fémporból mechanikailag erős testet alakítanak ki. szinterezés során fordulhat elő. Az 5 cikluson keresztül 5 K hőmérsékletkülönbséggel végzett szimuláció (4. ábra) azt mutatja, hogy a fő KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás már a második ciklus alatt befejeződik, míg a harmadik réteg már szilárd. Ez az aszinkron KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás lehet az oka annak, hogy az SLS-folyamat során a minta zsugorodása miatt mechanikai feszültségek, vetemedések vagy görbülések keletkeznek a mintában. Ezenkívül a vastag porrétegek használata csökkentheti a végső anyag izotrópiáját.

Következtetés

A NETZSCH Kinetics Neo és a DSC kombinációja segít az anyagok (polimerek) kristályosodási sebességének tanulmányozásában és viselkedésük szimulálásában olyan összetett ipari folyamatok esetében, mint a 3D nyomtatás a szelektív lézeres szinterezési technológiával. Ez nagyon értékes az SLS-ben használt új anyagok optimális hőmérsékleti feltételeinek kereséséhez.

Olvassa el még / Források:

1. https://ta-NETZSCH.com/how-to-determine-the-process-window-for-sls-powders-using-dsc-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