Additieve metaalproductie en de behoefte aan betrouwbare thermofysische eigenschappen

In de afgelopen jaren heeft Additive Manufacturing (AM), ook bekend als 3D-printen, zich ontpopt als een veelbelovende technologie voor kosteneffectieve productie van bijna-netvorm componenten in de auto-, elektronica-, biomedische, bouw-, ruimtevaart- en voedingsmiddelenindustrie. In eerdere artikelen hebben we ons gericht op het bepalen van het procesvenster en het bestuderen van het isotherme kristallisatiegedrag van polyamide (PA) 12 poeders bij selectief lasersinteren.

Welke materialen zijn geschikt voor SLM?

Het SLM proces is gebruikt voor het additief vervaardigen van legeringen zoals roestvast staal, gereedschapsstaal, titanium, aluminium, kobalt-chroom, wolfraam en nikkel-base superlegeringen. Sommige legeringen zijn beperkt toepasbaar voor SLM vanwege hun hoge reflectiviteit, vanwege hun reactiviteit voor zuurstof, absorptievermogen, bevochtiging en thermische eigenschappen.

Keramiek zoals aluminiumoxide, zirkoniumoxide en siliciumcarbide zijn additief vervaardigd met het SLM-proces, maar over het algemeen zijn er meer uitdagingen bij SLM van keramiek vanwege hun brosse aard en relatief lage 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.

AM-invoerparameters optimaliseren voor verbeterde productkwaliteit

Ondanks recente vooruitgang in het SLM proces kunnen problemen zoals oververhitting, onderverhitting en kromtrekken nog steeds problemen veroorzaken met de uiteindelijke productkwaliteit. Er worden inspanningen gedaan om een beter inzicht te krijgen in de temperatuurverdeling en thermische belasting tijdens SLM, zodat de procesparameters en uiteindelijk de uiteindelijke productkwaliteit geoptimaliseerd kunnen worden. Thermomechanische simulaties zoals eindige-elementenanalyse (FEA) maken virtuele prototypes mogelijk en worden steeds belangrijker voor fabrikanten die SLM procesparameters en geometrieën van de ondersteuningsstructuur voor verschillende materialen optimaliseren.

Thermische geleidbaarheid beïnvloedt SLM procesparameters

Een representatieve thermomechanische SLM simulatie vereist nauwkeurige, temperatuurafhankelijke warmtegeleidingsgegevens van het poederbed en het gestolde onderdeel. De NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash is zeer geschikt voor het meten 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 van zowel SLM basispoeders als afgewerkte SLM geprinte onderdelen tot 1250°C. Correctie voor temperatuurafhankelijke DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid (ρ) kan routinematig gemeten worden met een NETZSCH DIL 402 Expedis^® Classic dilatometer en 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}) in het hoge temperatuurbereik wordt gemeten met een NETZSCH DSC (bijv. 404 F1 Pegasus^®). Alle metingen moeten in hetzelfde temperatuurbereik worden uitgevoerd.

Toepassingsvoorbeeld: Warmtegeleidingsvermogen van Austenitisch roestvast staalpoeder

In het onderstaande toepassingsvoorbeeld werd de flashmethode (LFA) gebruikt om 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 van austenitisch roestvast staalpoeder van kamertemperatuur tot 1000°C te meten.

Zoals te zien is in Figuur 3, volgen 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 en 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 dezelfde trend. Door de verschillende sinterstappen nemen beide aanzienlijk toe. Natuurlijk wordt de toename in 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 beïnvloed door de verandering 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 de toename in DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van het poederbed boven 500°C. Bij het selecteren van geschikte SLM inputparameters moet rekening worden gehouden met de toename 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 door verdichting van het poederbed om een optimale productkwaliteit te garanderen. Dit is een van de redenen waarom onderzoek zich richt op het aanpassen van de parameters laag voor laag of zelfs in specifieke gebieden tijdens het bouwen.

Referenties

1. Yap, C. Y., Chua, C. K., Dong, Z. L., Liu, Z. H., Zhang, D. Q., Loh, L. E., & Sing, S. L. (01 december 2015). Overzicht van selectief lasersmelten: Materialen en toepassingen. Applied Physics Reviews, 2, 4, 41101. \
2. Chua, C. K., Wong, C. H., & Yeong, W. Y. (2017). Standaarden, kwaliteitscontrole en meetwetenschappen in 3D printen en additive manufacturing.
3. Luo, C., Qiu, J., Yan, Y., Tang, X., Yang, J., & Uher, C. (2018). Eindige elementenanalyse van temperatuur- en spanningsvelden tijdens het selectieve lasersmeltproces van thermo-elektrisch SnTe. Journal of Materials Processing Technology, 261, 74-85.