01.11.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Doreen Rapp
Mengapa Pengaruh Pengisi Anisotropik pada Ekspansi Termal Bergantung pada Proses
Pengisi anisotropik mengurangi penyusutan material dan meningkatkan stabilitas dimensinya. Bentuk pengisi memainkan peran penting. Pengisi isotropik adalah manik-manik atau bentuk apa pun dengan rasio aspek 1. Pengisi dengan rasio aspek yang lebih tinggi adalah serpihan dan serat, yang masing-masing memiliki dua dan hanya satu arah preferensi.penambahan bahan pengisi tersebut tidak hanya mengurangi penyusutan secara keseluruhan, tetapi juga menguranginya secara berbeda ke arah yang berbeda tergantung pada orientasi bahan pengisi pada bagian tersebut.
Hal ini umumnya diamati dalam pemrosesan plastik, di mana bahan pengisi seperti serat ditambahkan ke dalam matriks untuk meningkatkan kinerja mekanis. Orientasi pengisi serat tersebut bergantung pada kondisi pemrosesan dan terutama pada kondisi aliran seperti yang dijelaskan secara rinci di sini untuk proses pencetakan injeksi.
Bagaimana pengisi anisotropik menyelaraskan dalam Manufaktur Aditif
Dalam proses Manufaktur Aditif Selective Laser SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. Sintering (SLS), tidak ada proses aliran lelehan, tetapi bubuk yang terjadi. Aliran serbuk ini selama proses pelapisan menyelaraskan pengisi anisotropik dengan arah aliran serbuk, yang biasanya dilambangkan sebagai arah-x. Dalam kasus serat, itu berarti sebagian besar serat disejajarkan dalam arah-x, beberapa mungkin disejajarkan dalam arah-y dan sangat sedikit yang berorientasi pada arah-z. Dalam kasus serpihan, serpihan didistribusikan secara merata dalam bidang xy dan hanya sedikit yang mungkin berorientasi pada arah ketebalan, z. Efek ini berbeda dengan, misalnya, pencetakan injeksi, dan dapat dipelajari dan dikonfirmasi menggunakan pencitraan optik atau pengukuran tidak langsung seperti koefisien muai panas (Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE) atau (α).
Menentukan orientasi serat bola dan serpihan tembaga dengan analisis termal
Untuk analisis, sampel dari penelitian [1] dari Institut Teknologi Plastik (LKT) di Universitas Erlangen-Nuremberg digunakan.
Para peneliti menghasilkan campuran yang berbeda dari bubuk PA12 dengan bola tembaga isotropik dan serpihan anisotropik dalam berbagai konten (5 dan 10 vol% bola tembaga dan 5 vol% serpihan tembaga) untuk mempelajari kesesuaiannya dalam meningkatkan 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 material. Di NETZSCH Analyzing & Testing, semua sampel dianalisis menggunakan NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion®. Untuk penentuan koefisien muai panas (Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE), sampel dipotong dari spesimen tulang anjing dalam tiga arah yang berbeda, Gambar 1, arah x dan y: 10x5x4,5 mm3, arah-z: 4.5x5x5 mm3.
Ekspansi termal diukur dalam kisaran dari -20 hingga 170 ºC dengan menggunakan laju pemanasan 5 K/menit. Semua kondisi pengukuran dirangkum dalam tabel berikut ini:
Tabel 1: Kondisi pengukuran
| Tempat sampel | Pemuaian, terbuat dari SiO2 |
| Beban sampel | 50 mN |
| Atmosfer | Dia |
| Laju aliran gas | 50 ml / menit |
| Kisaran suhu | -20 ... 170 ° C pada laju pemanasan 5 K/menit |
Membandingkan bubuk PA12 yang tidak terisi dan terisi
Gambar 2 menunjukkan hasil untuk PA12 yang tidak terisi dan campuran dengan pengisi isotropik.
Dapat dilihat bahwa pemuaian termal lebih kecil untuk sistem yang terisi daripada sistem yang tidak terisi, meskipun demikian, kandungan volume 5 vol% cukup small.
Membandingkan arah yang berbeda, kami menemukan bahwa ekspansi termal dalam arah ketebalan lebih rendah untuk kedua bahan. Namun, perbedaannya bahkan lebih besar untuk sampel yang diisi tembaga. Hal ini dapat dijelaskan dengan perbedaan pemadatan dan adhesi partikel di dalam lapisan (pada bidang xy) dibandingkan dengan adhesi antar lapisan. Hal ini biasanya diamati dengan perubahan sifat mekanik, tetapi juga diamati oleh Lanzl dkk. [1] sebagai perubahan porositas. Karena para peneliti menemukan bahwa porositas lebih tinggi dengan komposit yang diisi tembaga, hal ini juga menjelaskan perbedaan yang lebih besar antara arah z dan xy. Efek yang sama diamati dengan manik-manik kaca sebagai pengisi isotropik.
Membandingkan konten volume yang berbeda dari bola Cu
Perbandingan antara isi volume yang berbeda dari bola Cu ditunjukkan pada Gambar 3. Tidak ada perubahan signifikan yang diamati di antara sampel.
Perbandingan bentuk tembaga yang berbeda
Perbandingan bentuk tembaga yang berbeda pada kandungan volume yang sama dengan bahan pengisi 5 vol% ditampilkan pada Gambar 4.
Pada kandungan volume yang sama, arah menjadi sangat jelas. Bola Cu menunjukkan perilaku isotropik. Sebagai perbandingan, serpihan menurunkan Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE pada arah x dan y dan meningkatkannya pada arah z. Alasannya adalah keselarasan pengisi. Selama proses pelapisan, serpihan disejajarkan pada bidang xy, sehingga memiliki efek yang paling menonjol pada arah ini. Namun, mereka tidak Titik penyeberanganDalam uji reologi seperti sapuan frekuensi atau sapuan waktu/suhu, titik cross over merupakan titik acuan yang tepat untuk mengindikasikan titik "transisi" sampel. menyeberang ke lapisan tetangga atau menunjukkan keselarasan yang cukup signifikan dalam arah-z untuk memberikan kontribusi besar pada ekspansi termal. Nilai Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE pada arah ketebalan hampir sama dengan bahan matriks PA12. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, perilaku ini merupakan konsekuensi langsung dari pemrosesan dan penyelarasan pengisi karena itu.
Perbandingan yang lebih baik dengan koefisien ekspansi volume termal
Untuk membandingkan kedua bahan, koefisien ekspansi volume termal perlu diperhitungkan. Karena kedua sampel memiliki kandungan tembaga yang sama yaitu 5 vol%, maka volume Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE harus kurang lebih sama.
Untuk bahan isotropik, volume CTE dihitung sebagai αv = 3 αl atau αv = 3 αx
Untuk bahan anisotropik, αv diberikan oleh αv = (αx + αy + αz)
Dengan menggunakan data yang diukur di sini, αv komposit dengan bola Cu adalah 482,0 × 10-6 1/K dan αv komposit dengan serpihan Cu adalah 464,2 × 10-6 1/K, yang menunjukkan bahwa konten pengisi keseluruhan memiliki pengaruh terbesar, tetapi distribusi ekspansi termal ke arah yang berbeda sangat dipengaruhi oleh bentuk pengisi.
Mendeteksi perilaku material anisotropik dengan LFA
Metode analisis termal lain yang berguna untuk mendeteksi perilaku material anisotropik dan untuk memahami keefektifannya untuk aplikasi manajemen termal adalah Laser Flash Analysis (LFA ) untuk mengukur difusivitas termal. Baca dalam artikel perubahan apa yang terdeteksi dalam komponen PA12 dengan bola dan serpihan tembaga sebagai pengisi dan bagaimana 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, 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, dan CTE digunakan untuk menghitung konduktivitas termal.
Tentang Lembaga 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.
Baca juga: https://ta-NETZSCH.com/bagaimana-cara-kerja-selective-laser-sintering-sls
Sumber
[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., Selective Laser SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. Sintering of Copper Filled Polyamide 12: Characterization of Powder Properties and Process Behavior, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: Sintering laser selektif dari poliamida yang diisi tembaga 12: Karakterisasi sifat serbuk dan perilaku proses - Lanzl - 2019 - Komposit Polimer - Wiley Online Library