Bagaimana Difusivitas Termal Mempengaruhi Suhu Bangun dalam Proses SLS

Dalam artikel sebelumnya, kami menjelaskan motivasi untuk menambahkan pengisi konduktif ke serbuk PA12 dan membuat komponen kompleks untuk manajemen termal dengan proses Selective Laser Sintering (SLS). Kami juga menjelaskan berbagai langkah persiapan sampel, yang sangat penting untuk kualitas hasil.

Temperatur cetak yang berbeda untuk campuran bubuk yang berbeda

Sampel-sampel tersebut dipersiapkan sebagai bagian dari penelitian [1] oleh para peneliti di Institute of Polymer Technology (LKT) di University of Erlangen-Nuremberg. Mereka menggunakan campuran yang berbeda dari bola tembaga dan serpihan dalam berbagai kandungan: bola tembaga 5 dan 10 vol% dan serpihan tembaga 5 vol%. KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. Kepadatan energi sebesar 0,043 ^J/mm2 dijaga konstan untuk semua bahan untuk mendeteksi setiap perubahan dalam perilaku proses karena bahan pengisi. Untuk serbuk bola PA12/Cu, suhu pembentukan 167°C ditentukan secara eksperimental. Untuk campuran serpihan PA12/Cu, suhu pembentukan perlu ditingkatkan menjadi 173°C. Diasumsikan bahwa Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang lebih tinggi dan Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik yang lebih rendah bisa menjadi alasannya. Oleh karena itu, analisis berikut ini dapat digunakan untuk menyelidiki efek ini secara rinci.

Cara menganalisis difusivitas termal

Di NETZSCH Analyzing & Testing, LFA 467 Hyperflash digunakan untuk mengukur difusivitas termal dari berbagai campuran bubuk PA12 dengan partikel tembaga yang berbeda dibandingkan dengan bahan PA12 yang rapi.

Pulsa cahaya pendek memanaskan permukaan bawah sampel dan kenaikan suhu pada permukaan belakang diukur sebagai fungsi waktu dengan menggunakan detektor IR.

Hal ini diulangi untuk setiap langkah suhu setelah suhu sampel distabilkan dan lampu kilat juga dinyalakan beberapa kali dalam rentang waktu beberapa menit.

Persiapan sampel sangat penting dan dijelaskan secara rinci di sini.

Setelah memuat sampel, pengukuran dimulai dengan menggunakan kondisi yang dirangkum dalam tabel berikut ini:

Tabel 1: Kondisi pengukuran

Tempat sampel	Arah-Z: 12.7 mm persegi arah x dan y: tempat sampel laminasi 12,7 mm
Atmosfer	_N2
Aliran gas	100 ml / menit
Titik pengukuran suhu	25, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 168, 180°C

Bagaimana bola tembaga mempengaruhi difusivitas termal

Perangkat lunakNETZSCH Proteus^® secara otomatis menyesuaikan model yang sesuai dengan data yang diukur untuk memungkinkan penghitungan waktu paruh, Gambar 1.

Grafik yang menunjukkan pengukuran difusivitas termal dari waktu ke waktu, mengilustrasikan data respons untuk campuran bubuk polimer yang berbeda dalam pembuatan aditif.

Gambar 2 menunjukkan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang dianalisis sebagai fungsi suhu dan orientasi sampel untuk PA12 yang rapi dibandingkan dengan campuran bola PA12/tembaga.

Perbandingan difusivitas termal dalam campuran bola PA12 dan PA12/Cu pada suhu dan arah yang berbeda, yang menyoroti efek kandungan tembaga. — Gambar 2: Ketergantungan suhu dari Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal dalam tiga arah pengukuran: Perbandingan sampel PA 12 yang rapi dan campuran bola PA 12/Cu

Seperti yang diharapkan, sampel PA12 yang rapi tidak menunjukkan arah dan nilai Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal paling rendah. Mereka menunjukkan penurunan yang khas dengan meningkatnya suhu hingga Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik). suhu leleh.

Sampel dengan 5 vol% bola Cu menunjukkan nilai yang sedikit lebih tinggi untuk Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal daripada PA12 yang rapi dan sampel dengan 10 vol% bola Cu menunjukkan nilai tertinggi dari ketiga bahan tersebut. Hal ini disebabkan oleh Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang lebih tinggi dari tembaga dibandingkan dengan matriks isolasi. Untuk sebagian besar sampel, tidak ada arah yang diamati karena sifat isotropik bola. Namun, untuk sampel dengan 10 vol% bola Cu dalam arah ketebalan z, Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal sedikit lebih rendah daripada dua arah lainnya. Hal ini kemungkinan terkait dengan porositas yang lebih tinggi dari sampel-sampel ini, yang diukur oleh Lanzl dkk. [1]. Hasil LFA menunjukkan porositas yang lebih tinggi antara lapisan pada arah-z dibandingkan dengan lapisan pada bidang-xy.

Bagaimana serpihan tembaga memengaruhi difusivitas termal

Perilaku yang berbeda diamati dengan serpihan tembaga seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, di mana pengukuran Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal dari semua sampel pada arah-x dan serpihan pada ketiga arah dibandingkan.

Ketergantungan suhu dari difusivitas termal untuk campuran PA12 dan tembaga, menampilkan tren di seluruh arah pengukuran. — Gambar 3: Ketergantungan suhu dari Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal dalam tiga arah pengukuran: Perbandingan serpihan PA 12/Cu dan bahan isotropik (biru - hanya arah-x)

Serpihan menunjukkan nilai yang jauh lebih tinggi untuk Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal daripada campuran lainnya dengan bola dan PA12 yang rapi. Tingkat anisotropi yang tinggi diperkirakan berdasarkan karakter 2D pengisi. Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu. Difusivitas termal tertinggi diukur pada arah-y yang diikuti oleh arah-x. Nilai terendah dicapai melalui ketebalan lapisan pada arah-z. Hal ini mengindikasikan orientasi preferensi yang lebih tinggi pada bidang xy, yang kemungkinan besar disebabkan oleh proses aplikasi serbuk.

Gambar 4 menunjukkan gambar mikroskop penampang melintang dari satu lapisan campuran serpihan PA12/Cu seperti yang dilaporkan oleh Lanzl dkk. [1]. Gambar tersebut menunjukkan bahwa partikel-partikel saling bersentuhan satu sama lain dan oleh karena itu, ketahanan termal keseluruhan material (atau penampang melintang di sini) harus diminimalkan. Mayoritas pengisi berorientasi horizontal, yang sesuai dengan bidang xy. Namun, dapat dilihat bahwa beberapa serpihan dimiringkan pada suatu sudut, yang menghasilkan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang lebih tinggi pada arah-z dibandingkan dengan semua sampel lainnya.

Pengukuran difusivitas termal memberikan wawasan yang signifikan mengenai orientasi pengisi dan jaraknya satu sama lain tanpa memerlukan pencitraan optik tambahan.

Penampang melintang lapisan PA12 dengan serpihan tembaga 5 vol%, menyoroti orientasi dan distribusi pengisi konduktif. — Gambar 4: Lapisan tunggal PA12 dan serpihan tembaga 5 vol% [1]

Cara menentukan konduktivitas termal

Untuk analisis atau simulasi lebih lanjut, selain difusivitas termal, a, konduktivitas termal, l, juga diperlukan. Untuk menghitung Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal, diperlukan kapasitas panas spesifik, _{Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp}, dan densitas, r:

λ (T) = a (T) _∙Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp (T) ∙ ρ (T)

Baik difusivitas termal maupun Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik diukur sebagai fungsi suhu. Pengukuran dan hasil pengukuran _cp dijelaskan di sini. Namun, densitas memerlukan penggunaan kembali densitas pada suhu kamar serta koefisien ekspansi termal untuk rentang suhu yang diteliti:

ρ (T) = _ρRT∙αv(T)

Massa jenis pada suhu kamar diukur dengan metode pengapungan apung dengan air, koefisien muai panas, α, diukur dengan Thermomechanical Analyzer (TMA), yang akan dijelaskan pada artikel berikutnya. Koefisien muai panas bergantung pada arah dan dihitung sebagai berikut

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

Kandungan tembaga yang lebih tinggi = Konduktivitas termal yang lebih tinggi

Nilai Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang dihitung yang dihasilkan diplot pada Gambar 6 sebagai fungsi suhu untuk berbagai bahan dan campuran.

Perbandingan konduktivitas termal campuran PA12 dan PA12/Cu yang rapi pada tiga arah, mengilustrasikan efek suhu. — Gambar 5: Ketergantungan suhu Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal dalam tiga arah untuk campuran PA 12 dan PA12/Cu yang rapi

Tren yang sama seperti yang terlihat pada difusivitas termal diamati:

Dengan meningkatnya kandungan tembaga, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal meningkat.
Bola Cu terutama menunjukkan perilaku isotropik. Perbedaan nilai terkait dengan porositas sampel.
Serpihan tembaga menunjukkan peningkatan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal tertinggi karena pengisi sebagian menyentuh dan mengurangi ketahanan konduktivitas material komposit.
Serpihan tembaga menunjukkan perilaku anisotropik karena geometri 2D dan proses aplikasi serbuk.

Namun, berkurangnya ketergantungan suhu serta sedikit kelengkungan pada suhu rendah terkait dengan ketergantungan suhu dari nilai _{Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp}.

Mengoptimalkan pengaturan proses berdasarkan hasil analisis

Untuk penerapan pengisi konduktif semacam itu dalam manajemen termal, penting untuk menyesuaikan orientasi komponen yang dicetak 3D untuk memperhitungkan anisotropi apa pun akibat proses pelapisan dan geometri pengisi.

Mengenai pengaturan proses dan khususnya suhu build, diamati bahwa campuran serpihan perlu diproses pada suhu build 173 ° C, yang 6 ° C lebih tinggi daripada campuran dengan bola. Konduktivitas termal yang lebih tinggi dan panas spesifik yang lebih rendah, keduanya menyebabkan berkurangnya kemampuan penyimpanan panas dalam senyawa dan pelepasan panas yang lebih baik. Khususnya pada bidang xy, di mana konduktivitas tertinggi dengan serpihan Cu diperoleh, diharapkan input energi dari laser lebih cepat didistribusikan, yang mengarah ke suhu yang lebih rendah. Dengan demikian, meningkatkan suhu build akan menangkal efek ini.

Untuk lebih memahami pengaruh bentuk pengisi yang berbeda pada masukan energi, Lanzl dkk. menganalisis ketebalan lapisan tunggal. Ditemukan bahwa ketebalan lapisan campuran dengan serpihan Cu secara signifikan lebih tipis. Para peneliti mengaitkan hal ini dengan peningkatan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal pada bidang xy dibandingkan dengan arah ketebalan dan juga dengan peningkatan pantulan laser yang menyebar, yang menghasilkan input energi yang lebih rendah. Analisis tambahan ini menyoroti pentingnya memahami perubahan dalam difusivitas termal dan konduktivitas untuk semua aspek proses SLS dan pengaturan proses yang paling sesuai.

Tentang Lembaga Kajian Teknologi Polimer (LKT)

Institute of Polymer Technology adalah sebuah lembaga penelitian akademis di Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nuremberg. Institut ini merupakan salah satu pemimpin dalam penelitian Manufaktur Aditif; khususnya SLS. Bidang penelitian utama lainnya termasuk Desain Ringan dan FRP, Bahan dan Pemrosesan, Teknologi Penggabungan dan Tribologi. Selain fokus penelitian ini, institut ini juga bekerja pada topik lintas disiplin ilmu seperti Peracikan Bahan Pengisi, Simulasi Pemrosesan dan Aplikasi, Termoplastik Tertaut Silang Radiasi, Pemrosesan Lembut, dan banyak lagi.

Sumber

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer, D., SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. Sintering Laser Selektif dari Poliamida Berisi Tembaga 12: Karakterisasi Sifat Serbuk dan Perilaku Proses, Komposit Polimer, hal. 1801-1809, 2019: SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. Sintering laser selektif dari poliamida berisi tembaga 12: Karakterisasi sifat serbuk dan perilaku proses - Lanzl - 2019 - Komposit Polimer - Wiley Online Library