DSCを用いたSLS粉末のプロセスウィンドウの決定方法

選択的レーザー焼結（SLS）と呼ばれる粉末床溶融法（PBF）では、粉末を局所的に溶融させるために層の断面を通過するレーザービームを使用して、粉末床で部品を層状に積み上げる。しかし、不均一な凝固や反りを避けるため、溶融物は結晶化温度以上の温度に保たれ、部品全体が完成する前に凝固するのを防ぐ。周囲の粉末は固体のままで、溶融形状の形状を維持します。

SLSプロセスについてはこちらをご覧ください！

SLSパウダーはポリアミド12(PA12)が最も一般的に使用されていますが、業界は新しい用途や市場セグメントを開拓するため、常に新しいポリマーパウダーを探しています。

測定の設定方法

ポリマー粉末のSLSへの適合性を評価し、可能なプロセスウィンドウを決定するためには、示差走査熱量測定（DSC）測定が必要である。

動的測定は、NETZSCH DSC 214 を使用して、融解および結晶化挙動を決定するために実施されます。Polymaこの例では、5mgのPA12粉末試料を、凹底(Concavus^®Al)と蓋を閉めた。試料を室温から冷却し、0℃で測定を開始した。その後、10K/分の昇温速度で200℃まで昇温し、10K/分の降温速度で0℃まで冷却した。すべての測定条件を以下の表にまとめた：

表1：測定条件

最初のサイクルでプロセス・ウィンドウを決定する

図1では、^1回目の加熱（青）と冷却サイクル（緑）の結果が描かれている。融解の開始は181℃、結晶化の開始は153.4℃である（低温から高温への分析のため、ここでは「終了」と表示）。

プロセス温度は融解開始温度と結晶化開始温度の間に設定されなければならないことを考慮すると、測定されたPA12粉末のプロセスウィンドウは27.6℃であった（図2）。この材料の典型的な成形温度は168℃であり、これはプロセスウィンドウの中間である。 成形温度が結晶化の開始点に近すぎる場合、部品の温度勾配が大きくなり、反りが発生する。造形温度が溶融開始温度に近すぎる場合は、ホットメルトがホットスポットとして作用する。周囲の固体粉末が表面で焼結し、その結果、部品が横方向に成長する。

1回目と2回目の加熱サイクルを比較し、素材をより詳細に研究する。

プロセスウィンドウの決定には、粉体の最初の加熱が最も重要であるが、2回目の加熱も比較することをお勧めする。今回の測定では、加熱と冷却のサイクルを複数回繰り返し、図3に3回行った結果を示す。

第一に、粉体の表面エネルギーが高いだけでなく、粉体と鍋の接触面がわずかに減少しているため、粉体の融解ピーク（^1回目の加熱）が高温にシフトしていることがわかる。このピークは、粉末の結晶構造とは異なることを示しており、他のPA12では観察されない、この特殊なPA12粉末特有のものである。これは、冷却中に、一般的なα-球晶とγ-球晶に加え、中間的な結晶構造が形成され、融解開始時にsmall のピークとして観察されることを示している。しかし、これは科学的に興味深いことではあるが、SLS印刷プロセスには関係ない。

結晶化は時間依存性ですが、なぜSLSプロセスでそれが関係するのですか？

最後に重要なことは、結晶化は時間に依存するプロセスであるため、冷却速度が低いと結晶化ピークが高温にシフトすることである。このことは、プロセスウィンドウの下限を決定する際に考慮する必要がある。図4は、10, 5, 2, 1 K/minでのDSC測定における結晶化ピークを示している。 冷却速度が低下するにつれて、ピーク温度だけでなく、オンセット（ここでは「エンド」）も高温側にシフトしていることがわかる。10K/minでのオンセット温度153.4℃の代わりに、1K/minではすでに161.6℃でオンセットが起こっている。

等温晶析研究により、成功するワークピースが可能になる

粉末層の表面温度はIR温度計で測定できるが、下層の温度は市販のSLSプリンターでは不明である。特に、冷たい粉末のコーティング、ビルドエンベロープ内の部品の不均一な分布、ヒーターのアンバランスなどが原因でビルド温度が過度に変動した場合、等温結晶化が発生する可能性があります。 したがって、選択したポリマー粉末のこの挙動を評価し、SLS用として適格にするためには、等温結晶化研究が必要です。等温結晶化挙動に関する記事はこちら！

SLSパウダーの特性評価については、今後の記事をご覧ください！