Dlaczego wpływ wypełniaczy anizotropowych na rozszerzalność cieplną jest zależny od procesu?

Jak anizotropowe wypełniacze dopasowują się w produkcji addytywnej

W procesie wytwarzania addytywnego Selective Laser Sintering (SLS) nie występują procesy przepływu stopionego materiału, lecz proszku. Ten przepływ proszku podczas procesu powlekania wyrównuje anizotropowe wypełniacze z kierunkiem przepływu proszku, który jest powszechnie określany jako kierunek x. W przypadku włókien oznacza to, że większość włókien jest wyrównana w kierunku x, niektóre mogą zostać wyrównane w kierunku y, a bardzo niewiele może zostać zorientowanych w kierunku z. W przypadku płatków są one równomiernie rozmieszczone w płaszczyźnie xy i tylko nieliczne mogą być zorientowane w kierunku grubości, z. Efekt ten różni się od np. formowania wtryskowego i może być badany i potwierdzany za pomocą obrazowania optycznego lub pomiarów pośrednich, takich jak współczynnik rozszerzalności cieplnej (Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE) lub (α).

Określanie orientacji włókien miedzianych kulek i płatków za pomocą analizy termicznej

Do analizy wykorzystano próbki z badania [1] Instytutu Technologii Tworzyw Sztucznych (LKT) na Uniwersytecie Erlangen-Norymberga.

Researcwyprodukowała różne mieszanki proszku PA12 z izotropowymi kulkami miedzianymi i anizotropowymi płatkami o różnej zawartości (5 i 10% obj. kulek miedzianych i 5% obj. płatków miedzianych) w celu zbadania ich przydatności do zwiększenia przewodności cieplnej materiału. W NETZSCH Analyzing & Testing wszystkie próbki zostały przeanalizowane przy użyciu NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. W celu określenia współczynnika rozszerzalności cieplnej (Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE), próbki zostały wycięte z kości psa w trzech różnych kierunkach, Rysunek 1, kierunek x i y: 10x5x4,5 ^mm3, kierunek z: 4.5x5x5 ^mm3.

Rozszerzalność cieplną mierzono w zakresie od -20 do 170 ºC, stosując szybkość ogrzewania 5 K/min. Wszystkie warunki pomiarowe zostały podsumowane w poniższej tabeli:

Tabela 1: Warunki pomiaru

Porównanie niewypełnionego i wypełnionego proszku PA12

Rysunek 2 przedstawia wyniki dla niewypełnionego PA12 i mieszaniny z izotropowymi wypełniaczami.

Można zauważyć, że rozszerzalność cieplna jest smallwiększa dla systemu wypełnionego niż systemu niewypełnionego, nawet jeśli zawartość objętościowa 5 vol% jest dość small.

Porównując różne kierunki, okazuje się, że rozszerzalność cieplna w kierunku grubości jest niższa dla obu materiałów. Jednak różnica jest jeszcze większa w przypadku próbki wypełnionej miedzią. Można to wytłumaczyć innym krzepnięciem i adhezją cząstek w warstwie (w płaszczyźnie xy) w porównaniu z adhezją między warstwami. Jest to zwykle obserwowane przez zmiany właściwości mechanicznych, ale zostało również zaobserwowane przez Lanzl et al. [1] jako zmiana porowatości. Ponieważ badaniaarcwykazały, że porowatość jest wyższa w przypadku kompozytów wypełnionych miedzią, wyjaśnia to również większą różnicę między kierunkiem z i xy. Ten sam efekt zaobserwowano w przypadku szklanych kulek jako wypełniaczy izotropowych.

Porównanie różnych zawartości objętościowych kulek Cu

Porównanie między różnymi zawartościami objętościowymi kulek Cu pokazano na rysunku 3. Nie zaobserwowano znaczących zmian między próbkami.

Porównanie różnych kształtów miedzi

Porównanie różnych kształtów miedzi przy tej samej zawartości objętościowej 5% materiału wypełniającego przedstawiono na rysunku 4.

Przy tej samej zawartości objętościowej kierunkowość staje się dość oczywista. Kule Cu wykazują zachowanie izotropowe. Dla porównania, płatki obniżają współczynnik Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE w kierunku x i y oraz zwiększają go w kierunku z. Powodem jest ułożenie wypełniaczy. Podczas procesu powlekania płatki są wyrównane w płaszczyźnie xy, co daje najbardziej wyraźny efekt w tych kierunkach. Jednak nie przechodzą one do sąsiednich warstw ani nie wykazują wystarczająco znaczącego wyrównania w kierunku z, aby wnieść duży wkład w rozszerzalność cieplną. Wartość współczynnika Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE w kierunku grubości jest prawie taka sama jak w przypadku materiału matrycy PA12. Jak wyjaśniono wcześniej, zachowanie to jest bezpośrednią konsekwencją przetwarzania i związanego z tym wyrównania wypełniaczy.

Lepsze porównanie ze współczynnikiem termicznej rozszerzalności objętościowej

Aby porównać oba materiały, należy wziąć pod uwagę współczynnik rozszerzalności cieplnej. Ponieważ obie próbki mają taką samą zawartość miedzi (5% obj.), objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej powinien być w przybliżeniu taki sam.

W przypadku materiałów izotropowych, objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej jest obliczany jako _αv = 3 _αl lub _αv = 3 _αx

Dla materiałów anizotropowych, _αv jest określone przez _αv = (_αx + _αy + _αz)

Korzystając z danych zmierzonych tutaj, _αv kompozytu z kulkami Cu wynosi 482,^0×10-6 1/K, a _αv kompozytu z płatkami Cu wynosi 464,^2×10-6 1/K, co pokazuje, że ogólna zawartość wypełniacza ma największy wpływ, ale na Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład rozszerzalności cieplnej w różnych kierunkach silnie wpływa kształt wypełniacza.

Wykrywanie anizotropowego zachowania materiału za pomocą LFA

Inną metodą analizy termicznej, która jest przydatna do wykrywania anizotropowego zachowania materiału i zrozumienia ich skuteczności w zastosowaniach związanych z zarządzaniem ciepłem, jest laserowa analiza błyskowa (LFA) do pomiaru dyfuzyjności cieplnej. Przeczytaj w artykułach, jakie zmiany są wykrywane w częściach PA12 z miedzianymi kulkami i płatkami jako wypełniaczami oraz w jaki sposób dyfuzyjność cieplna, Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki. pojemność cieplna właściwa i Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE są wykorzystywane do obliczania przewodności cieplnej.

O Instytucie Technologii Polimerów (LKT)

Instytut Technologii Polimerów to akademicki instytut badawczyarch na Uniwersytecie Friedricha-Alexandra w Erlangen-Norymberdze.arcJest jednym z liderów w dziedzinie badań nad wytwarzaniem przyrostowym, w szczególności SLS. Inne główne obszary badańarch obejmują projektowanie lekkich konstrukcji i FRP, materiały i przetwarzanie, technologię łączenia i trybologię. Oprócz tych badańarch, instytut pracuje również nad interdyscyplinarnymi tematami, takimi jak mieszanie materiałów wypełniających, symulacja przetwarzania i zastosowań, termoplasty usieciowane promieniowaniem, delikatne przetwarzanie i wiele innych.

Przeczytaj również: https://ta-NETZSCH.com/how-does-select ive-laser-sintering-sls-work

Źródła

[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 ofcopper filled polyamide 12: Characterization of powder properties and process behavior - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library