Specifieke warmtecapaciteit meten om SLS-processen te simuleren

Tijdens het SLS-proces (Selective Laser Sintering) verdwijnen de eerder gesmolten lagen in het poederbed, omgeven door ongesinterd poeder. Daarom is informatie over het temperatuurveld in de onderste lagen moeilijk te meten. Daarom is er veel moeite gedaan om het SLS-proces te modelleren en te simuleren. Twee grootheden die hiervoor essentieel zijn, 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 thermische geleidbaarheid (k) als functie van de temperatuur. Wanneer vulstoffen worden toegevoegd, veranderen ze niet alleen de kristallisatiesnelheid, maar vereisen ze ook een hogere opbouwtemperatuur vanwege de verandering in _{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 k.

Hoe de specifieke warmtecapaciteit bepalen

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 als functie van de temperatuur van verschillende materialen te bepalen, wordt Differentiële Scanning Calorimetrie (DSC) gebruikt. De warmtecapaciteit wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van 1 g stof met 1°C te verhogen terwijl de druk p constant wordt gehouden. Het wordt beschreven door de warmtegeleidingsvergelijking:

In overeenstemming met DIN EN ISO 11357-4 (en ASTM E1269) wordt het monster gemeten ten opzichte van een tweede (referentie)monster met een bekende warmtecapaciteit. Een typisch referentiemonster zou saffier zijn. Daarom bestaat een experiment uit drie verschillende runs in het temperatuurbereik van interesse. De eerste is een scan met twee lege pannen (basislijn), de tweede een scan met één pan met het saffiermonster (referentie) en tot slot de derde run met het eigenlijke monster (monster) in hetzelfde type pan.

_Cp als functie van de temperatuur van het monster kan als volgt worden berekend:

Uitvoeren van _cp-metingen aan SLS polymeerpoedermonsters

In dit voorbeeld van een polymeerpoeder, meer bepaald PA12, werden de metingen uitgevoerd met een NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® in overeenstemming met de standaard. Na een initiële afkoelstap tot -25°C werd de temperatuur verhoogd tot 215°C bij 10 K/min. Er werden twee verschillende monsters gemeten en het gemiddelde werd berekend. Alle meetomstandigheden zijn samengevat in de volgende tabel:

Tabel 1: Meetomstandigheden

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, gesuperponeerd met de smeltpiek en de 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. In het hier getoonde geval van PA12 wordt de interpolatie uitgevoerd tussen 90 °C (2,348 J/gK) en 200 °C (2,7 J/gK), die in de grafiek zijn aangegeven. De waarden kunnen dan worden geëxporteerd voor later gebruik in materiaal- en processimulaties, bijvoorbeeld voor de ingediende temperatuur en stolling in het SLS-proces. Een andere toepassing van de gegevens is de berekening 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 uit gegevens over 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 DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid.