30.11.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Dr. Stefan Schmölzer

Come determinare la finestra di processo per le polveri SLS utilizzando il DSC

Con la Powder Bed Fusion (PBF), spesso chiamata Selective Laser Sintering (SLS), il componente viene costruito a strati in un letto di polvere utilizzando un raggio laser che passa sulla sezione trasversale dello strato per fondere localmente la polvere. Per caratterizzare una polvere polimerica e determinarne l'idoneità alla SLS e la possibile finestra di processo, si utilizza la calorimetria differenziale a scansione (DSC). Scoprite come impostare e interpretare le misure!

Durante la Powder Bed Fusion (PBF), spesso chiamata Selective Laser Sintering (SLS), il componente viene costruito a strati in un letto di polvere utilizzando un raggio laser che passa sulla sezione trasversale dello strato per fondere localmente la polvere. Tuttavia, per evitare solidificazioni disomogenee e deformazioni, laTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione viene mantenuta a temperature superiori alla temperatura di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione per evitare che si solidifichi prima che l'intero pezzo sia finito. La polvere circostante rimane solida e mantiene la forma della geometria fusa.

Leggete qui la nostra introduzione al processo SLS!

La polvere SLS più comunemente applicata finora è la poliammide 12 (PA12), ma l'industria è alla continua ricerca di nuove polveri polimeriche per aprire nuove opportunità di applicazioni e segmenti di mercato.

Come impostare la misurazione

Per caratterizzare una polvere polimerica e determinarne l'idoneità alla SLS e la possibile finestra di processo, sono necessarie misure di calorimetria differenziale a scansione (DSC).

Per determinare il comportamento diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione, si esegue una misura dinamica con un DSC NETZSCH 214. In questo esempio, un campione di polvere di PA12 è stato sottoposto a un test per determinare il comportamento diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione.Polymain questo esempio, un campione di polvere di PA12 di 5 mg è stato pesato in una pentola di alluminio con fondo concavo (Concavus®al) e coperchio chiuso. Il campione è stato raffreddato a 0°C dalla temperatura ambiente per iniziare la misurazione. È stato poi riscaldato a 200°C con una velocità di riscaldamento di 10 K/min e raffreddato alla stessa velocità di 10 K/min per tornare a 0°C. Questo ciclo è stato ripetuto più volte. Tutte le condizioni di misura sono riassunte nella tabella seguente:

Tabella 1: Condizioni di misura

PentolaConcavus®al, coperchio chiuso
Peso del campione5.024 mg
AtmosferaN2
Intervallo di temperaturada 0°C a 200°C con una velocità di riscaldamento e raffreddamento di 10 K/min.

Determinazione della finestra di processo con il primo ciclo

Nella figura 1 sono rappresentati i risultati del ciclo di riscaldamento (blu) e di raffreddamento (verde). L'inizio dellaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione avviene a 181°C e l'inizio della CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione a 153,4°C (qui etichettato come "Fine" a causa dell'analisi dalle basse alle alte temperature).

Figura 1: 1° ciclo di riscaldamento e raffreddamento (blu e verde, rispettivamente) della polvere di PA12 a una velocità di riscaldamento e raffreddamento di 10 K/min

Ricordando che la temperatura di processo deve essere impostata tra l'inizio dellaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e la CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione, la polvere di PA12 misurata offre una finestra di processo di 27,6°C (figura 2). La temperatura di costruzione tipica per questo materiale è di 168°C, che si trova al centro della finestra di processo. Nei casi in cui la temperatura di costruzione è troppo vicina all'inizio dellaCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione, i pezzi hanno larger gradienti di temperatura e mostrano deformazioni. Nei casi in cui la temperatura di costruzione è troppo vicina all'inizio della fusione, il materiale fuso caldo si comporta comeots caldo. La SinterizzazioneLa sinterizzazione è un processo di produzione per la formazione di un corpo meccanicamente resistente a partire da una polvere ceramica o metallica. sinterizzazione della polvere solida circostante avviene sulle superfici, con conseguente crescita laterale dei pezzi.

Figura 2: Schema della finestra del processo SLS e della temperatura dell'involucro di costruzione in base ai risultati DSC illustrati in figura 1

Confronto tra il primo e il secondo ciclo di riscaldamento per studiare il materiale in modo più approfondito

Sebbene per la determinazione della finestra di processo sia più importante il primo riscaldamento della polvere, si consiglia di confrontare anche il secondo riscaldamento. Nel caso di questa misurazione, i cicli di riscaldamento e raffreddamento sono stati ripetuti più volte e la figura 3 mostra i risultati di tre serie.

In primo luogo, si può notare che il picco di fusione della polvere (primo riscaldamento) è spostato verso temperature più elevate a causa della superficie di contatto leggermente ridotta della polvere con il piatto e della maggiore energia superficiale della polvere. In secondo luogo, si può notare che ilsecondo e tutti i cicli di riscaldamento successivi mostrano un doppio picco con una temperatura di insorgenza inferiore. Questo picco indica una struttura cristallina diversa da quella della polvere, che è piuttosto unica per questa particolare polvere di PA12 e non è stata osservata per altre PA12.dimostra che durante il raffreddamento, oltre alle comuni sferuliti α e γ, si forma una struttura cristallina intermedia che può essere osservata come un picco small all'inizio della fusione. Tuttavia, sebbene questo sia di interesse scientifico, non è rilevante per il processo di stampa SLS.

Figura 3: 1°, 2° e 3° ciclo di riscaldamento e raffreddamento a 10 K/min (blu scuro: 1° riscaldamento; blu chiaro e verde: 2° e 3° riscaldamento); la curva del 1° riscaldamento è spostata orizzontalmente solo a scopo di visualizzazione. I picchi diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione esotermica rimangono invariati durante tutti i cicli di raffreddamento

La cristallizzazione dipende dal tempo: perché è importante nel processo SLS?

Infine, ma non meno importante, laCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione è un processo dipendente dal tempo e quindi basse velocità di raffreddamento spostano il picco diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione verso temperature più elevate; questo aspetto deve essere tenuto in considerazione quando si determina l'estremità inferiore della finestra di processo.la Figura 4 mostra i picchi diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione per le misurazioni DSC a 10, 5, 2 e 1 K/min. Si può notare che l'inizio (qui "Fine") e la temperatura di picco si spostano verso temperature più elevate al diminuire della velocità di raffreddamento. Invece di una temperatura di inizio di 153,4°C a 10 K/min, l'inizio si verifica già a 161,6°C a 1 K/min.

Figura 4: I picchi di cristallizzazione a diverse velocità di raffreddamento di 10, 5, 2 e 1 K/min mostrano lo spostamento verso temperature più alte a velocità di raffreddamento inferiori

Gli studi di cristallizzazione isotermica permettono di lavorare pezzi di successo

Mentre la temperatura effettiva sulla superficie del letto di polvere può essere misurata con termometri IR, la temperatura negli strati inferiori è sconosciuta in una stampante SLS commerciale. Per tutta la durata della costruzione, che può arrivare fino a 12 ore senza raffreddamento successivo, dopo qualche tempo può verificarsi una cristallizzazione isoterma, soprattutto se la temperatura di costruzione oscilla troppo a causa di un rivestimento con polvere fredda, di una distribuzione non uniforme dei pezzi all'interno dell'involucro di costruzione o di riscaldatori sbilanciati, solo per citarne alcuni. Pertanto, sono necessari studi sulla cristallizzazione isoterma per valutare questo comportamento per le polveri polimeriche di selected e quindi qualificarle per la SLS. Leggete qui l'articolo sul comportamento di cristallizzazione isotermica!

Per saperne di più sulla caratterizzazione delle polveri SLS, leggete i nostri prossimi articoli!

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