How Fillers Affect the Crystallization Behavior of SLS Powders

Eén eis kan een hogere ductiliteit zijn (bv. PA11), andere kunnen een betere dimensionale stabiliteit zijn (bv. toevoeging van glasparels), een hoger elektrisch of thermisch geleidingsvermogen (bv. vulstoffen zoals aluminium of koper) of een grotere stijfheid en sterkte (bv. toevoeging van glas- of koolstofvezels).

Vulstoffen fungeren als nucleatieplaatsen

De toevoeging van een vulstof aan SLS-poeder heeft meestal een effect op het kristallisatiegedrag omdat de oppervlakken van de vulstoffen fungeren als heterogene nucleatieplaatsen. Geleidende vulstoffen kunnen ook de materiaaltemperatuur beïnvloeden en daardoor aanvullend veranderd gedrag vertonen. dynamische Differentiële Scanning Calorimetrie (DSC) metingen kunnen een eerste indicatie geven van een veranderd gedrag, dat dan verder geanalyseerd kan worden door isotherme metingen bij of dicht bij de opbouwtemperatuur.

Geleidende koperen vulstoffen toevoegen

Om het effect van geleidende vulstoffen te begrijpen, experimenteerden onderzoekers van het Institute of Polymer Technology (LKT) aan de Universiteit van Erlangen-Nürnberg met kopervulstoffen [1]. Ze gebruikten verschillende mengsels van koperen bolletjes en vlokken (figuur 1) in verschillende gehaltes en analyseerden het verwerkingsgedrag en de resulterende geleidende eigenschappen met als doel complexe componenten voor thermisch beheer te genereren. Er werden verschillende monsters bereid door koperen bolletjes van 5 en 10 vol% en koperen vlokken van 5 vol% toe te voegen aan het PA12-poeder. De energiedichtheid van 0,043 ^J/mm2 werd constant gehouden voor alle materialen om eventuele veranderingen in het procesgedrag als gevolg van de vulstoffen te detecteren.

Bepaling van het procesvenster en kristallisatiegedrag van PA12-poeder met koperdeeltjes

Op NETZSCH Analyzing & Testing werd een DSC 214 Polyma gebruikt om het procesvenster en het kristallisatiegedrag van deze verschillende mengsels van PA12-poeder met koperdeeltjes te analyseren in vergelijking met het zuivere PA12-materiaal.

Voor elke meting werd een monster van 5 mg gesneden en in een aluminium pan met holle bodem (Concavus^®al) en gesloten deksel. Het monster werd afgekoeld vanaf kamertemperatuur om de meting te starten bij -20 °C. Vervolgens werd het verwarmd tot 200 °C met een verwarmingssnelheid van 10 K/min en afgekoeld met dezelfde koelsnelheid van 10 K/min tot -20 °C.

De volgende tabel vat de meetomstandigheden samen.

Tabel 1: Meetomstandigheden

De resultaten voor het zuivere PA12 werden in detail besproken in deze vorige blogpost!

Veranderingen in kristallisatiegedrag

In figuur 2 worden de resultaten van de^1e verhitting en afkoeling weergegeven voor alle 4 monsters. Zoals te zien is, wordt de smeltpiektemperatuur niet beïnvloed door de toevoeging van de vulstoffen (het verschil in oppervlakte is gerelateerd aan de verschillende vulstofgehaltes en is niet genormaliseerd in deze grafiek).

Het is echter te zien dat de piekkristallisatietemperatuur en het begin van KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie verschuiven naar hogere temperaturen naarmate het vulstofgehalte toeneemt.

De piek verschuift van 145,8 °C voor het zuivere materiaal naar 149,1 °C voor 5 vol% koperhoudende vulstoffen en naar 151,3 °C voor 10 vol% respectievelijk.

Hieruit kan worden geconcludeerd dat de vulstoffen fungeren als nucleatieplaatsen en de KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie versnellen. Dit leidt tot een iets kleiner procesvenster en hiermee moet rekening worden gehouden bij de keuze van de verwerkingscondities.

Een soortgelijk effect werd waargenomen door WILO SE, een vooraanstaande leverancier van pompen en pompsystemen voor glas- en koolstofvezels. Lees de casestudy hier!

Het kristallisatiegedrag beter begrijpen

Aanvullend onderzoek naar het isotherme kristallisatiegedrag kan nuttig zijn om dit gedrag nog beter te begrijpen. Een gedetailleerde beschrijving van de meetprocedure wordt hier gegeven voor ongevuld PA12-poeder.

De onderzoekers van LKT voerden deze aanvullende isotherme onderzoeken bij 165 °C uit op de met koper gevulde monsters en ontdekten dat de kristallisatiehalfwaardetijd korter wordt door de toevoeging van vulstoffen, wat het nucleatie-effect verder bevestigt. Het hele onderzoek is hier te vinden [Open Access]!

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.