17.05.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Dr. Stefan Schmölzer
How Fillers Affect the Crystallization Behavior of SLS Powders
Due to the still limited number of available materials for the Selective Laser Sintering process, there is a constant demand for materials with different properties. The addition of any filler to SLS powder typically has an effect on the processing behavior. Today, we investigate the crystallization behavior of PA12 powder filled with copper spheres and flakes.
더 높은 연성(예: PA11), 더 나은 치수 안정성(예: 유리 비드 추가), 더 높은 전기 또는 열 전도성(예: 알루미늄 또는 구리 등의 필러), 더 높은 강성 및 강도(예: 유리 또는 탄소 섬유 추가) 등이 요구될 수 있습니다.
필러는 핵 형성 부위 역할을 합니다
SLS 파우더에 필러를 첨가하면 일반적으로 필러의 표면이 이질적인 핵 형성 부위로 작용하여 결정화 거동에 영향을 미칩니다. 전도성 필러도 재료 온도에 영향을 미칠 수 있으므로 추가적으로 변화된 거동을 보일 수 있습니다. 동적 시차 열량 측정(DSC) 측정은 변화된 거동에 대한 첫 번째 지표를 제공할 수 있으며, 이후 제작 온도 또는 이에 가까운 등온 측정을 통해 추가 분석을 수행할 수 있습니다.
전도성 구리 필러 추가
전도성 필러의 효과를 이해하기 위해 에를랑겐-뉘렘부르크 대학교 폴리머 기술 연구소(LKT)의 연구원들은 구리 필러로 실험을 진행했습니다[1]. 연구진은 열 관리를 위한 복잡한 구성 요소를 생성하기 위해 다양한 함량의 구리 구와 플레이크 혼합물(그림 1)을 사용하여 가공 거동과 결과 전도성 특성을 분석했습니다. PA12 분말에 구리 구체를 5 및 10 vol%, 구리 플레이크를 5 vol% 첨가하여 다양한 샘플을 제조했습니다. 필러로 인한 공정 거동의 변화를 감지하기 위해 모든 재료에 대해 0.043 J/mm2의 에너지 밀도를 일정하게 유지했습니다.
구리 입자가 있는 PA12 분말의 공정 창 및 결정화 거동 결정
NETZSCH 분석 및 테스트에서 DSC 214 Polyma 를 사용하여 깔끔한 PA12 재료와 비교하여 이러한 다양한 PA12 분말과 구리 입자의 혼합물의 공정 창과 결정화 거동을 분석했습니다.
각 측정에 대해 5mg의 샘플을 잘라 바닥이 오목한 알루미늄 팬에 넣고(Concavus®al)와 뚜껑을 닫았습니다. 샘플을 실온에서 냉각하여 -20°C에서 측정을 시작했습니다. 그런 다음 10K/min의 가열 속도로 200°C까지 가열하고 동일한 냉각 속도인 10K/min으로 -20°C까지 냉각했습니다.
다음 표에는 측정 조건이 요약되어 있습니다.
표 1: 측정 조건
| 팬 | Concavus®알루미늄, 닫힌 뚜껑 |
| 시료 무게 | 5 mg |
| 대기 | N2 |
| 온도 범위 | -20°C ~ 200°C(10K/min의 가열 및 냉각 속도에서) |
깔끔한 PA12의 결과는 이전 블로그 게시물에서 자세히 설명했습니다!
결정화 동작의 변화
그림 2에는 4개의 샘플 모두에 대한1차 가열 및 냉각 결과가 표시되어 있습니다. 보시다시피, 최대 용융 온도는 필러의 추가에 영향을 받지 않습니다(면적의 차이는 다양한 필러 함량과 관련이 있으며 이 그래프에서는 정규화되지 않았습니다).
그러나 결정화 피크 온도와 결정화 시작은 필러 함량이 증가함에 따라 더 높은 온도로 이동하는 것을 볼 수 있습니다.
피크는 깔끔한 소재의 경우 145.8°C에서 구리 필러가 5%인 경우 149.1°C로, 10%인 경우 151.3°C로 각각 이동합니다.
필러가 핵 형성 부위로 작용하여 결정화를 가속화한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이로 인해 공정 윈도우가 약간 감소하므로 공정 조건을 선택할 때 이를 고려해야 합니다.
유리 및 탄소 섬유용 프리미엄 펌프 및 펌프 시스템 공급업체인 WILO SE에서도 비슷한 효과가 관찰되었습니다. 여기에서 사례 연구를 읽어보세요!
결정화 동작에 대한 이해도 높이기
등온 결정화 거동에 대한 추가 연구는 이 거동을 더 잘 이해하는 데 유용할 수 있습니다. 측정 절차에 대한 자세한 설명은 비충진 PA12 분말에 대해 여기에 나와 있습니다.
LKT의 연구원들은 구리로 채워진 샘플에 대해 165°C에서 이러한 추가 등온 연구를 수행한 결과, 필러의 첨가로 인해 결정화 반감기가 감소하여 핵 형성 효과를 추가로 확인했습니다. 전체 연구는 여기에서 [오픈 액세스]를 통해 확인할 수 있습니다!
고분자 기술 연구소 (LKT) 소개
폴리머 기술 연구소는 에를랑겐-뉘른베르크 프리드리히 알렉산더 대학교의 학술 연구 기관입니다. 적층 제조 연구, 특히 SLS 분야의 선두주자 중 하나입니다. 다른 주요 연구 분야로는 경량 설계 및 FRP, 재료 및 가공, 접합 기술 및 마찰학 등이 있습니다. 이 연구소는 이러한 연구 분야 외에도 충전재 컴파운딩, 가공 및 응용 시뮬레이션, 방사선 가교 열가소성 플라스틱, 부드러운 가공 등과 같은 학제 간 주제에 대해서도 연구하고 있습니다.
출처
[1] 란츨, L., 우디, K., 그레이너, S., 드러머 D., 구리 충전 폴리아미드 12의 선택적 레이저 소결: 분말 특성 및 공정 거동 특성 분석, Polymer Composites, 1801-1809페이지, 2019.
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