Hoe thermische diffusie de opbouwtemperatuur beïnvloedt in het SLS proces

In een vorig artikel hebben we de motivatie uitgelegd om geleidende vulstoffen toe te voegen aan PA12-poeders en complexe componenten voor thermisch management te maken met het SLS-proces (Selective Laser Sintering). We hebben ook de verschillende stappen van de monstervoorbereiding uitgelegd, die cruciaal is voor de kwaliteit van de resultaten.

Verschillende printtemperaturen voor verschillende poedermengsels

De monsters werden bereid als onderdeel van een onderzoek [1] door onderzoekers van het Institute of Polymer Technology (LKT) aan de Universiteit van Erlangen-Nürnberg. Ze gebruikten verschillende mengsels van koperen bolletjes en schilfers in verschillende gehaltes: 5 en 10 vol% koperen bolletjes en 5 vol% koperen vlokken. De energiedichtheid van 0,043 ^J/mm2 werd voor alle materialen constant gehouden om eventuele veranderingen in het procesgedrag door de vulstoffen te detecteren. Voor het PA12/Cu-sferpoeder werd experimenteel een opbouwtemperatuur van 167°C bepaald. Voor het PA12/Cu-vlokkenmengsel moest de opbouwtemperatuur worden verhoogd tot 173°C. Er werd aangenomen dat 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 en een lagere 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 de reden konden zijn. Daarom kan de volgende analyse worden gebruikt om deze effecten in detail te onderzoeken.

Hoe analyseer je thermische diffusie

Op NETZSCH Analyzing & Testing werd een LFA 467 Hyperflash gebruikt om de thermische diffusie van deze verschillende mengsels van PA12-poeder met koperdeeltjes te meten in vergelijking met het zuivere PA12-materiaal.

Een korte lichtpuls verwarmt de onderkant van het monster en de temperatuurstijging aan de achterkant wordt gemeten als functie van de tijd met een IR-detector.

Dit wordt herhaald voor elke temperatuurstap nadat de temperatuur van het monster gestabiliseerd is en de flitslamp wordt ook verschillende keren ontstoken in een tijdsbestek van minuten.

De voorbereiding van de monsters is erg belangrijk en wordt hier in detail uitgelegd.

Na het laden van de monsters wordt de meting gestart onder de omstandigheden die in de volgende tabel zijn samengevat:

Tabel 1: Meetomstandigheden

Hoe koperen bolletjes thermische diffusie beïnvloeden

De softwareNETZSCH Proteus^® past automatisch een geschikt model op de gemeten gegevens om de halfwaardetijden te kunnen berekenen, Afbeelding 1.

Figuur 2 toont de geanalyseerde Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie als functie van de temperatuur en de oriëntatie van het monster voor het zuivere PA12 in vergelijking met de PA12/koperbolmengsels.

Zoals verwacht vertonen de PA12-monsters geen richtingsgevoeligheid en zijn de waarden van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie het laagst. Ze vertonen de typische afname met toenemende temperatuur tot aan de 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). smelttemperatuur.

De monsters met 5 vol% Cu bolletjes vertonen iets hogere waarden voor de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie dan de zuivere PA12 en de monsters met 10 vol% Cu bolletjes vertonen de hoogste waarden van de drie materialen. Dit is het gevolg van de hogere Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van het koper vergeleken met de isolerende matrix. Voor de meeste monsters wordt geen richtingsgevoeligheid waargenomen vanwege de isotrope eigenschappen van de bolletjes. Echter, voor het monster met 10 vol% Cu bolletjes in de dikte richting z, is de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie iets lager dan voor de andere twee richtingen. Dit is waarschijnlijk gerelateerd aan de hogere porositeit van deze monsters, die is gemeten door Lanzl et al. [1]. De LFA-resultaten wijzen op een hogere porositeit tussen lagen in de z-richting dan binnen een laag in het xy-vlak.

Hoe kopervlokken de thermische diffusie beïnvloeden

Een ander gedrag wordt waargenomen bij de kopervlokken zoals getoond in Figuur 3, waar de thermische diffusiemetingen van alle monsters in de x-richting en van de vlokken in alle drie richtingen worden vergeleken.

De vlokken vertonen veel hogere waarden voor de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie dan de andere mengsels met bolletjes en het zuivere PA12. De hoge mate van anisotropie wordt verwacht op basis van het 2D-karakter van de vulstof. De hoogste Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie wordt gemeten in de y-richting, gevolgd door de x-richting. De laagste waarden worden bereikt door de dikte van een laag in de z-richting. Dit wijst op een hogere voorkeursoriëntatie in het xy-vlak, wat waarschijnlijk te wijten is aan het poederapplicatieproces.

Figuur 4 toont een microscopiebeeld van de dwarsdoorsnede van een enkele laag van het PA12/Cu vlokkenmengsel zoals gerapporteerd door Lanzl et al. [1]. De afbeelding laat zien dat de deeltjes elkaar raken en daarom moet de totale warmteweerstand van het materiaal (of hier de doorsnede) geminimaliseerd worden. De meerderheid van de vulstoffen is horizontaal georiënteerd, wat overeenkomt met het xy-vlak. Er is echter te zien dat sommige vlokken onder een hoek zijn gekanteld, wat resulteert in een hogere Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie in de z-richting vergeleken met alle andere monsters.

Metingen van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie geven een belangrijk inzicht in zowel de oriëntatie van de vulstoffen als hun onderlinge nabijheid, zonder dat hiervoor extra optische beeldvorming nodig is.

Hoe de thermische geleidbaarheid bepalen

Voor verdere analyse of simulatie is naast de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, a, ook de thermische geleidbaarheid, l, nodig. Om 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 te berekenen zijn de 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}, en de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid, r, nodig:

λ(T)=a(T)_{∙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}(T)∙ρ(T)

Zowel de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie als 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 worden gemeten als functie van de temperatuur. De meting en resultaten van de _cp-metingen worden hier uitgelegd. Voor de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid moet echter opnieuw de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid bij kamertemperatuur en de thermische uitzettingscoëfficiënt voor het onderzochte temperatuurbereik worden gebruikt:

ρ(T)_=ρRT∙αv(T)

De DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid bij kamertemperatuur is gemeten met de drijfvermogen-flotatiemethode met water, de thermische uitzettingscoëfficiënt, α, is gemeten met een Thermomechanical Analyzer (TMA), die in een later artikel zal worden uitgelegd. De uitzettingscoëfficiënt is richtingsafhankelijk en wordt als volgt berekend

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

Hoger kopergehalte = hogere thermische geleidbaarheid

De resulterende berekende waarden van 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 zijn uitgezet in Figuur 6 als functie van de temperatuur voor de verschillende materialen en mengsels.

Dezelfde trends als bij de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie worden waargenomen:

• Met toenemend kopergehalte neemt 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 toe.
• De Cu-bolletjes vertonen voornamelijk isotroop gedrag. Verschillen in de waarden zijn gerelateerd aan de porositeit van de monsters.
• De kopervlokken vertonen de grootste toename in warmtegeleiding omdat de vulstoffen elkaar gedeeltelijk raken en de geleidingsweerstand van het composietmateriaal verminderen.
• De kopervlokken vertonen anisotroop gedrag door hun 2D geometrie en het poederapplicatieproces.

De verminderde temperatuurafhankelijkheid en de lichte kromming bij lage temperaturen is echter gerelateerd aan de temperatuurafhankelijkheid 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.cp-waarden}.

Procesinstellingen optimaliseren op basis van analyseresultaten

Voor de toepassing van dergelijke geleidende vulstoffen in thermisch beheer is het belangrijk om de oriëntatie van de 3D-geprinte onderdelen aan te passen om rekening te houden met eventuele anisotropie als gevolg van het coatingproces en de geometrie van de vulstof.

Wat betreft de procesinstellingen en in het bijzonder de opbouwtemperatuur, werd vastgesteld dat het mengsel van de vlokken verwerkt moest worden bij een opbouwtemperatuur van 173°C, wat 6°C hoger was dan de mengsels met bolletjes. De 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 en de lagere soortelijke warmte leiden beide tot een verminderd vermogen van warmteopslag in de verbinding en een betere afvoer van de warmte. Vooral in het xy-vlak, waar de hoogste geleidbaarheid met Cu-vlokken werd verkregen, is het te verwachten dat de energie-input van de laser sneller wordt verdeeld, wat leidt tot een lagere temperatuur. Het verhogen van de opbouwtemperatuur gaat dit effect dus tegen.

Om de invloed van de verschillende vulstofvormen op de energie-input beter te begrijpen, analyseerden Lanzl et al. de dikte van een enkele laag. Het bleek dat de laagdikte van het mengsel met Cu vlokken aanzienlijk dunner is. De onderzoekers schreven dit toe aan de verhoogde warmtegeleiding in het xy-vlak vergeleken met de dikterichting en ook aan de verhoogde diffuse reflectie van de laser, wat resulteert in een lagere energie-input. Deze aanvullende analyse benadrukt het belang van inzicht in de veranderingen in Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie en geleidbaarheid voor alle aspecten van het SLS proces en de meest geschikte procesinstellingen.

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.

Bronnen

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., Selective Laser Sintering of Copper Filled Polyamide 12: Characterization of Powder Properties and Process Behavior, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: Selective laser sintering of copper filled polyamide 12: Characterization of powder properties and process behavior - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library