이방성 필러가 열팽창에 미치는 영향이 공정에 따라 달라지는 이유

적층 제조에서 이방성 필러를 정렬하는 방법

선택적 레이저 소결(SLS)의 적층 제조 공정에서는 용융물이 아닌 분말의 흐름 공정이 발생합니다. 코팅 공정 중 이러한 분말의 흐름은 이방성 필러를 일반적으로 X 방향으로 표시되는 분말 흐름의 방향과 정렬합니다. 섬유의 경우, 이는 대부분의 섬유가 x 방향으로 정렬되고 일부는 y 방향으로 정렬되며 극히 일부만 z 방향으로 정렬될 수 있음을 의미합니다. 플레이크의 경우 xy 평면에 고르게 분포되어 있고 두께 방향인 z 방향으로 정렬되는 것은 극소수에 불과합니다. 이 효과는 사출 성형과 다르며 광학 이미징 또는 열팽창 계수(CTE) 또는 (α) 등의 간접 측정을 통해 연구 및 확인할 수 있습니다.

열 분석을 통한 구리 구 및 플레이크의 섬유 방향 결정

분석에는 에를랑겐-뉘른베르크 대학교 플라스틱 기술 연구소(LKT)의 연구[1]에서 나온 샘플이 사용되었습니다.

연구원들은 재료의 열 전도성을 높이기 위한 적합성을 연구하기 위해 다양한 함량(5 및 10 vol% 구리 구 및 5 vol% 구리 플레이크)의 등방성 구리 구 및 이방성 플레이크가 포함된 PA12 분말의 다양한 혼합물을 생산했습니다. NETZSCH 분석 및 테스트에서 모든 샘플은 NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^® 를 사용하여 분석했습니다. 열팽창계수(CTE)를 측정하기 위해 개뼈 시료에서 그림 1, x 방향 및 y 방향의 세 가지 방향으로 샘플을 절단했습니다: 10x5x4.^5mm3, z 방향: 4.5x5x5 ^mm3.

적층 제조에서 분말 코팅의 치수와 축을 보여주는 열팽창 분석용 테스트 시편 그림입니다.

열 팽창은 5K/min의 가열 속도를 사용하여 -20~170ºC 범위에서 측정했습니다. 모든 측정 조건은 다음 표에 요약되어 있습니다:

표 1: 측정 조건

샘플 홀더	팽창, _SiO2로 제작
샘플 부하	50mN
대기	He
가스 유량	50 ml/min
온도 범위	-20...170°C(5K/min의 가열 속도에서)

비충진 및 충진 PA12 파우더 비교

그림 2는 채워지지 않은 PA12와 등방성 필러를 사용한 혼합물의 결과를 보여줍니다.

방향에 따른 길이 변화를 보여주는 5 vol% Cu 구가 채워진 PA12와 채워지지 않은 PA12의 열팽창을 측정했습니다. — 그림 2: 3가지 방향에서 5 vol% Cu 구가 포함된 샘플과 비교한 깔끔한 PA12 샘플의 온도에 따른 길이 변화 측정 결과

5 vol%라는 부피 함량에도 불구하고 충전된 시스템의 열팽창이 충전되지 않은 시스템보다 작다는 것을 알 수 있습니다 small.

다른 방향을 비교하면 두 재료 모두 두께 방향의 열팽창이 더 낮다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 구리로 채워진 샘플의 경우 그 차이가 훨씬 더 큽니다. 이는 층 사이의 접착력과 비교하여 층 내(xy 평면에서)의 응고 및 입자 접착력이 다르기 때문으로 설명할 수 있습니다. 이는 일반적으로 기계적 특성의 변화로 관찰되지만, Lanzl 등[1]에 의해 다공성의 변화로 관찰되기도 했습니다. 연구진은 구리가 채워진 복합재료에서 다공성이 더 높다는 것을 발견했으며, 이는 z 방향과 xy 방향 사이의 더 큰 차이를 설명할 수 있습니다. 유리 구슬을 등방성 필러로 사용했을 때도 동일한 효과가 관찰되었습니다.

Cu 구체의 다양한 부피 함량 비교

그림 3은 Cu 구체의 서로 다른 부피 함량을 비교한 것입니다. 샘플 간에 큰 변화는 관찰되지 않았습니다.

소형 열전도도 분석기인 HFM 446( Netzsch)은 디지털 디스플레이와 종이 출력 기능을 갖추고 있습니다. — 그림 3: 3가지 방향에서 5% 및 10% Cu 구체를 가진 두 샘플의 온도에 따른 길이 변화 측정 결과

다양한 구리 모양 비교

그림 4는 동일한 부피 함량 5%의 필러 재료에서 다양한 구리 모양을 비교한 것입니다.

열팽창 거동을 보여주는 세 방향에서 5% 구리 구체를 사용한 PA12와 플레이크의 길이 변화를 측정한 결과입니다. — 그림 4: 3가지 방향에서 각각 5% Cu 구와 플레이크가 포함된 샘플의 온도에 따른 길이 변화를 측정한 결과

동일한 부피 콘텐츠에서 방향성이 매우 분명해집니다. Cu 구체는 등방성 거동을 보입니다. 이에 비해 플레이크는 x 및 y 방향에서 CTE를 낮추고 z 방향에서 CTE를 높입니다. 그 이유는 필러의 정렬 때문입니다. 코팅 과정에서 플레이크는 xy 평면에 정렬되므로 이 방향에서 가장 두드러진 효과를 나타냅니다. 그러나 이들은 인접한 층으로 교차하거나 열팽창에 큰 기여를 할 수 있을 정도로 z 방향으로 충분히 정렬되지 않습니다. 두께 방향의 CTE 값은 매트릭스 소재 PA12의 값과 거의 비슷합니다. 앞서 설명했듯이 이러한 동작은 가공과 이로 인한 필러의 정렬의 직접적인 결과입니다.

열 부피 팽창 계수와 더 나은 비교

두 재료를 비교하려면 열 부피 팽창 계수를 고려해야 합니다. 두 샘플의 구리 함량이 5 vol%이므로 부피 CTE는 거의 동일해야 합니다.

등방성 재료의 경우 체적 CTE는 _αv = 3 _αl 또는 _αv = 3 _αx로 계산됩니다

이방성 재료의 경우 _αv는_αv = (_αx + _αy + _αz)로 주어집니다

여기서 측정된 데이터를 사용하면 Cu 구가 있는 복합재의 _αv는 482.^0×10-6 1/K이고 Cu 플레이크가 있는 복합재의 _αv는 464.^2×10-6 1/K로, 전체 필러 함량이 가장 큰 영향을 주지만 다른 방향으로의 열팽창 분포는 필러 모양에 크게 영향을 받는다는 것을 보여줍니다.

LFA로 이방성 재료 거동 감지하기

이방성 재료 거동을 감지하고 열 관리 애플리케이션에 대한 효과를 이해하는 데 유용한 또 다른 열 분석 방법은 열 확산도를 측정하는 레이저 플래시 분석(LFA) 입니다. 구리 구와 플레이크를 필러로 사용하는 PA12 부품에서 어떤 변화가 감지되는지, 열 확산도, 비열 용량 및 CTE를 사용하여 열 전도도를 계산하는 방법을 기사에서 읽어보세요.

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.

참조: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work-work

출처

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., 구리 충전 폴리아미드 12의 선택적 레이저 소결: 분말 특성 및 공정 거동의 특성화, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: 구리 충전 폴리아미드 12의 선택적 레이저 소결: 분말 특성 및 공정 거동의 특성화 - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley 온라인 라이브러리