Hoe de specifieke warmtecapaciteit van gevulde poeders de SLS verwerkingsparameters beïnvloedt

Dergelijke vulsystemen zijn materialen met een hoger elektrisch of thermisch geleidingsvermogen, zoals aluminium of koper. Als een hogere Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid wordt bereikt, liggen thermomanagementtoepassingen binnen bereik die nog verder kunnen worden verbeterd door de complexe geometrieën die mogelijk zijn met SLS. Hoewel de veranderde prestaties gewenst zijn in het uiteindelijke component, heeft het toevoegen van vulstoffen aan SLS-poeders ook een effect op het verwerkingsgedrag en dit moet worden begrepen om een bouwopdracht met succes te voltooien.

Waarom koper geschikt is

Neem bijvoorbeeld koper als een goed warmtegeleidend materiaal. De specifieke warmtecapaciteit ligt in de orde van 0,4 J/g×K. Vermenging met PA12-poeder moet leiden tot een verlaging van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van het mengsel. Daarom wordt het vermogen van het mengsel om warmte op te slaan verminderd, wordt warmte sneller afgevoerd en kan de thermische balans van een gebouw worden gewijzigd. Lees hier meer over _cp-metingen op ongevulde PA12-poeders!

De monsters voorbereiden voor analyse

In een onderzoek aan het Institute of Polymer Technology (LKT) van de Universiteit van Erlangen-Nürnberg werden verschillende mengsels van koperen bolletjes en vlokken in verschillende gehaltes geproduceerd en verwerkt in een EOS Formiga P110 machine. De monsters varieerden zowel in de vorm van de vulstof (bolletjes en vlokken) als in het volumegehalte (5 en 10%).

De ^{energiedichtheid1} van 0,043 ^J/mm2 werd constant gehouden voor alle materialen om eventuele veranderingen in het procesgedrag door de vulstoffen te detecteren. Tijdens de verwerking konden geen monsters worden geproduceerd met de 10 vol% kopervlokken. De procestemperatuur voor het mengsel met koperen bolletjes werd bepaald op 167°C en met de kopervlokken op 173°C.

Specifieke warmtecapaciteit meten

Een NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® werd gebruikt om de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit _{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp} te meten als functie van de temperatuur van deze verschillende mengsels van PA12-poeder met koperdeeltjes in vergelijking met het zuivere PA12-materiaal. De metingen werden uitgevoerd in overeenstemming met ASTM E1269 en ISO 11357-4.

Na een eerste afkoelstap tot -25 °C werd de temperatuur verhoogd tot 215 °C met 10 K/min. Er werden twee verschillende monsters gemeten en het gemiddelde werd berekend. De volgende tabel vat de meetomstandigheden samen.

Tabel 1: Meetomstandigheden

De meetgegevens analyseren met slimme software

De analyse in de NETZSCH Proteus^® software wordt getoond in figuur 1. Het toont de "schijnbare" Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van een PA12 monster met 5 vol% koperen bolletjes, gesuperponeerd door de effecten voor Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten en GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang.

De _{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp-gegevens} kunnen gemakkelijk worden afgeleid uit deze curve. In het temperatuurbereik tussen 90-190°C staan het effect van de toenemende _{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp} en het endotherme effect van Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten echter tegenover elkaar. Daarom worden de waarden in het smelttraject meestal geïnterpoleerd.

Figuur 2 toont de _{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp-waarden} na interpolatie voor alle vier de monsters.

Zoals verwacht is te zien dat de _cp toeneemt met toenemende temperatuur. Het extra kopergehalte verlaagt de _cp en er kan geen effect van de vulstofgeometrie worden gedetecteerd. De onderzoekers van LKT bevestigden zelfs dat de afname in _cp met toenemend kopergehalte de regel van het mengsel volgt. Ze hebben echter alleen de _cp gemeten bij 25°C. De temperatuurafhankelijke metingen in figuur 2 geven verder aan dat de helling van de _cp-toename met de temperatuur iets afneemt naarmate er meer koperdeeltjes in het mengsel zitten.

De metingen bevestigen dat de verandering in _cp kan bijdragen aan de hogere energie-input die nodig is tijdens 3D printen. Er is echter aanvullende informatie over de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid nodig om de invloed van beide effecten op de thermische omstandigheden te evalueren.

Opgemerkt moet worden dat dit gedrag universeel is voor alle kunststoffen die gemodificeerd zijn met warmtegeleidende vulstoffen. Daarom is het een belangrijke grootheid om te meten voor het ontwerp en de spuitgietsimulatie van koellichamen of andere onderdelen die nodig zijn voor thermisch management.

Over het Instituut voor Polymeertechnologie (LKT)

Het Institute of Polymer Technology is een academisch onderzoeksinstituut aan de Friedrich-Alexander Universiteit van Erlangen-Nürnberg. Het is een van de leiders op het gebied van onderzoek naar Additive Manufacturing, met name SLS. Andere belangrijke onderzoeksgebieden zijn lichtgewicht ontwerp en FRP, materialen en verwerking, verbindingstechnologie en tribologie. Naast deze onderzoeksgebieden werkt het instituut ook aan interdisciplinaire onderwerpen zoals samenstelling van vulmateriaal, simulatie van verwerking en toepassingen, stralingsvernette thermoplasten, zachte verwerking en nog veel meer.

^{1Energiedichtheid}= de hoeveelheid energie die een systeem bevat in verhouding tot het volume