Waarom het effect van anisotrope vulstoffen op thermische uitzetting procesafhankelijk is

Hoe anisotrope vulstoffen uitgelijnd worden in Additive Manufacturing

In het Additive Manufacturing proces van Selective Laser Sintering (SLS) vinden geen stromingsprocessen van de smelt plaats, maar van het poeder. Deze stroming van het poeder tijdens het coatingproces lijnt anisotrope vulstoffen uit met de richting van de poederstroming, die gewoonlijk wordt aangeduid als x-richting. In het geval van vezels betekent dit dat de meeste vezels uitgelijnd zijn in de x-richting, sommige vezels kunnen uitgelijnd zijn in de y-richting en heel weinig vezels kunnen georiënteerd zijn in de z-richting. In het geval van vlokken zijn ze gelijkmatig verdeeld in het xy-vlak en slechts enkele kunnen georiënteerd worden in de dikterichting, z. Dit effect verschilt van bijvoorbeeld spuitgieten en kan bestudeerd en bevestigd worden met optische beeldvorming of indirecte metingen zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt (Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE) of (α).

Bepaling van vezeloriëntatie van koperen bolletjes en schilfers met thermische analyse

Voor de analyse werden monsters uit een onderzoek [1] van het Institute of Plastics Technology (LKT) van de Universiteit van Erlangen-Nürnberg gebruikt.

Onderzoekers produceerden verschillende mengsels van PA12 poeder met isotrope koperen bolletjes en anisotrope vlokken in verschillende gehaltes (5 en 10 vol% koperen bolletjes en 5 vol% koperen vlokken) om hun geschiktheid te bestuderen 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 van het materiaal te verhogen. Op NETZSCH Analyzing & Testing werden alle monsters geanalyseerd met behulp van de NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Voor het bepalen van de thermische uitzettingscoëfficiënt (Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE) werden monsters gesneden uit hondenbotmonsters in drie verschillende richtingen, Figuur 1, x- en y-richting: 10x5x4,5 ^mm3, z-richting: 4.5x5x5 ^mm3.

De thermische uitzetting werd gemeten in een bereik van -20 tot 170 ºC met een verwarmingssnelheid van 5 K/min. Alle meetomstandigheden zijn samengevat in de volgende tabel:

Tabel 1: Meetomstandigheden

Vergelijking van ongevuld en gevuld PA12-poeder

Figuur 2 toont de resultaten voor het ongevulde PA12 en het mengsel met isotrope vulstoffen.

Het is te zien dat de thermische uitzetting kleiner is voor het gevulde systeem dan voor het ongevulde systeem, zelfs bij een volume-inhoud van 5 vol% small.

Als we de verschillende richtingen vergelijken, zien we dat de thermische uitzetting in de dikterichting voor beide materialen lager is. Het verschil is echter nog groter voor het met koper gevulde monster. Dit kan worden verklaard door de verschillende stolling en deeltjeshechting binnen een laag (in het xy-vlak) in vergelijking met de hechting tussen lagen. Dit wordt meestal waargenomen door veranderingen in de mechanische eigenschappen, maar werd ook waargenomen door Lanzl et al. [1] als een verandering in porositeit. Aangezien de onderzoekers ontdekten dat de porositeit hoger is bij de met koper gevulde composieten, verklaart dit ook het grotere verschil tussen de z- en xy-richting. Hetzelfde effect werd waargenomen met glasparels als isotrope vulstoffen.

Vergelijken van verschillende volumegehaltes van Cu-bolletjes

De vergelijking tussen de verschillende volumegehaltes van Cu-bolletjes wordt getoond in figuur 3. Er is geen significante verandering waargenomen tussen de monsters.

Vergelijking van verschillende koperformaten

De vergelijking van verschillende kopervormen bij hetzelfde volumegehalte van 5 vol% vulmateriaal is weergegeven in figuur 4.

Bij hetzelfde volume wordt directionaliteit heel duidelijk. De Cu-bolletjes vertonen isotroop gedrag. Ter vergelijking: de vlokken verlagen de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE in de x- en y-richting en verhogen deze in de z-richting. De reden hiervoor is de uitlijning van de vulstoffen. Tijdens het coatingproces worden de vlokken uitgelijnd in het xy-vlak, waardoor ze het meest uitgesproken effect hebben in deze richtingen. Ze steken echter niet over naar naburige lagen of vertonen niet genoeg uitlijning in de z-richting om een grote bijdrage te leveren aan de thermische uitzetting. De waarde van Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE in de dikterichting is bijna die van het matrixmateriaal PA12. Zoals eerder uitgelegd is dit gedrag een direct gevolg van de verwerking en de uitlijning van vulstoffen als gevolg daarvan.

Betere vergelijking met de thermische uitzettingscoëfficiënt

Om de twee materialen te vergelijken, moet rekening worden gehouden met de thermische volume-uitzettingscoëfficiënt. Aangezien beide monsters hetzelfde kopergehalte van 5 vol% hebben, zou de volume Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE ongeveer gelijk moeten zijn.

Voor isotrope materialen wordt de volume-Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE berekend als _αv = 3 _αl of _αv = 3 _αx

Voor anisotrope materialen wordt _αv gegeven door _αv = (_αx + _αy + _αz)

Met behulp van de hier gemeten gegevens is _αv van de composiet met Cu-bolletjes 482,^0×10-6 1/K en _αv van de composiet met Cuvlokken 464,^2×10-6 1/K, waaruit blijkt dat het totale vulstofgehalte de grootste invloed heeft, maar dat de verdeling van thermische uitzetting in verschillende richtingen sterk wordt beïnvloed door de vulstofvorm.

Anisotroop materiaalgedrag detecteren met LFA

Een andere thermische analysemethode die nuttig is om anisotroop materiaalgedrag te detecteren en hun effectiviteit voor thermisch managementtoepassingen te begrijpen, is de Laser Flash Analysis (LFA) om de thermische diffusie te meten. Lees in de artikelen welke veranderingen worden gedetecteerd in PA12 onderdelen met koperen bolletjes en vlokken als vulmateriaal en hoe 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, 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 en Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE worden gebruikt om de thermische geleidbaarheid te berekenen.

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.

Lees ook: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work

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