Jak dyfuzyjność termiczna wpływa na temperaturę wydruku w procesie SLS

W poprzednim artykule wyjaśniliśmy motywację do dodawania przewodzących wypełniaczy do proszków PA12 i tworzenia złożonych komponentów do zarządzania termicznego za pomocą procesu spiekania laserowegoSelect ive (SLS). Wyjaśniliśmy również różne etapy przygotowania próbki, co ma kluczowe znaczenie dla jakości wyników.

Różne temperatury druku dla różnych mieszanek proszków

Próbki zostały przygotowane w ramach badania [1] przeprowadzonego przezarchers w Instytucie Technologii Polimerów (LKT) na Uniwersytecie Erlangen-Nuremberg. Zastosowali oni różne mieszaniny miedzianych kulek i płatków o różnej zawartości: 5 i 10 vol% miedzianych kulek i 5 vol% miedzianych płatków. Gęstość energii 0,043 ^J/mm2 była utrzymywana na stałym poziomie dla wszystkich materiałów, aby wykryć wszelkie zmiany w zachowaniu procesu spowodowane wypełniaczami. Dla proszku PA12/Cu spheres ustalono eksperymentalnie temperaturę wytwarzania 167°C. W przypadku mieszanki płatków PA12/Cu, temperaturę wytwarzania należało zwiększyć do 173°C. Założono, że przyczyną może być wyższa Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna i niższaPojemność 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. Dlatego też poniższa analiza może zostać wykorzystana do szczegółowego zbadania tych efektów.

Jak analizować dyfuzyjność cieplną

Na stronie NETZSCH Analyzing & Testing wykorzystano urządzenie LFA 467 Hyperflash do pomiaru dyfuzyjności cieplnej tych różnych mieszanin proszku PA12 z cząstkami miedzi w porównaniu z czystym materiałem PA12.

Krótki impuls światła ogrzewa dolną powierzchnię próbki, a wzrost temperatury na tylnej powierzchni jest mierzony w funkcji czasu za pomocą detektora podczerwieni.

Powtarza się to dla każdego stopnia temperatury po ustabilizowaniu się temperatury próbki, a lampa błyskowa jest również uruchamiana kilka razy w ciągu kilku minut.

Przygotowanie próbek jest bardzo ważne i zostało szczegółowo wyjaśnione tutaj.

Po załadowaniu próbek pomiar rozpoczyna się przy użyciu warunków podsumowanych w poniższej tabeli:

Tabela 1: Warunki pomiaru

Jak miedziane kule wpływają na dyfuzyjność cieplną

OprogramowanieNETZSCH Proteus^® automatycznie dopasowuje odpowiedni model do zmierzonych danych, aby umożliwić obliczenie czasów połówkowych, rysunek 1.

Rysunek 2 przedstawia analizowaną dyfuzyjność cieplną w funkcji temperatury i orientacji próbki dla czystego PA12 w porównaniu z mieszaninami PA12/kula miedzi.

Zgodnie z oczekiwaniami, czyste próbki PA12 nie wykazują kierunkowości, a wartości dyfuzyjności cieplnej są najniższe. Wykazują one typowy spadek wraz ze wzrostem temperatury aż do temperatury topnienia.

Próbki z kulkami Cu o zawartości 5% obj. wykazują nieco wyższe wartości dyfuzyjności cieplnej niż czysty PA12, a próbki z kulkami Cu o zawartości 10% obj. wykazują najwyższe wartości spośród trzech materiałów. Wynika to z wyższej dyfuzyjności cieplnej miedzi w porównaniu z matrycą izolacyjną. W przypadku większości próbek nie obserwuje się kierunkowości ze względu na izotropowe właściwości kulek. Jednak w przypadku próbki z 10-procentową zawartością kulek Cu w kierunku grubości z, dyfuzyjność cieplna jest nieco niższa niż w pozostałych dwóch kierunkach. Jest to prawdopodobnie związane z wyższą porowatością tych próbek, która została zmierzona przez Lanzl et al. [1]. Wyniki LFA wskazują na wyższą porowatość między warstwami w kierunku z niż wewnątrz warstwy w płaszczyźnie xy.

Jak płatki miedzi wpływają na dyfuzyjność cieplną

Inne zachowanie obserwuje się w przypadku płatków miedzi, jak pokazano na rysunku 3, gdzie porównano pomiary dyfuzyjności cieplnej wszystkich próbek w kierunku x i płatków we wszystkich trzech kierunkach.

Płatki wykazują znacznie wyższe wartości dyfuzyjności cieplnej niż inne mieszaniny z kulkami i czysty PA12. Wysoki stopień anizotropii jest oczekiwany w oparciu o dwuwymiarowy charakter wypełniacza. Najwyższa Dyfuzyjność termicznaDyfuzyjność cieplna (a z jednostką mm2/s) to specyficzna dla materiału właściwość charakteryzująca niestałe przewodzenie ciepła. Wartość ta opisuje, jak szybko materiał reaguje na zmianę temperatury.dyfuzyjność termiczna jest mierzona w kierunku y, a następnie w kierunku x. Najniższe wartości są osiągane przez grubość warstwy w kierunku z. Wskazuje to na bardziej preferencyjną orientację w płaszczyźnie xy, co jest prawdopodobnie spowodowane procesem nakładania proszku.

Rysunek 4 przedstawia obraz mikroskopowy przekroju pojedynczej warstwy mieszaniny płatków PA12/Cu, zgodnie z doniesieniami Lanzl et al. [1]. Obraz pokazuje, że cząstki stykają się ze sobą, a zatem ogólny opór cieplny materiału (lub tutaj przekroju) powinien być zminimalizowany. Większość wypełniaczy jest zorientowana poziomo, co odpowiada płaszczyźnie xy. Można jednak zauważyć, że niektóre płatki są nachylone pod kątem, co skutkuje wyższą dyfuzyjnością cieplną w kierunku z w porównaniu do wszystkich innych próbek.

Pomiary dyfuzyjności cieplnej zapewniają znaczący wgląd zarówno w orientację wypełniaczy, jak i ich wzajemne sąsiedztwo bez potrzeby dodatkowego obrazowania optycznego.

Jak określić przewodność cieplną

Do dalszej analizy lub symulacji, oprócz dyfuzyjności cieplnej, a, potrzebna jest przewodność cieplna, l,. Do obliczenia przewodności cieplnej wymagana jest pojemność cieplna właściwa_{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.cp} i gęstość r:

λ(T)=a(T)_{∙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.cp}(T)∙ρ(T)

Zarówno dyfuzyjność cieplna, jak iPojemność 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 są mierzone w funkcji temperatury. Pomiar i wyniki _pomiarówcp zostały wyjaśnione tutaj. Jednak gęstość wymaga ponownego użycia gęstości w temperaturze pokojowej, a także współczynnika rozszerzalności cieplnej dla badanego zakresu temperatur:

ρ(T)_=ρRT∙αv(T)

Gęstość w temperaturze pokojowej została zmierzona metodą wyporu-flotacji z wodą, współczynnik rozszerzalności cieplnej, α, jest mierzony za pomocą analizatora termomechanicznego (TMA), który zostanie wyjaśniony w późniejszym artykule. Współczynnik rozszerzalności jest zależny od kierunku i jest obliczany w następujący sposób

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

Wyższa zawartość miedzi = wyższa przewodność cieplna

Wynikowe obliczone wartości przewodności cieplnej przedstawiono na rysunku 6 w funkcji temperatury dla różnych materiałów i mieszanin.

Zaobserwowano te same trendy, co w przypadku dyfuzyjności cieplnej:

• Wraz ze wzrostem zawartości miedzi wzrasta Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna.
• Kule Cu wykazują głównie zachowanie izotropowe. Różnice w wartościach są związane z porowatością próbek.
• Płatki miedzi wykazują największy wzrost przewodności cieplnej, ponieważ wypełniacze częściowo stykają się i zmniejszają opór przewodnictwa materiału kompozytowego.
• Płatki miedzi wykazują zachowanie anizotropowe ze względu na ich geometrię 2D i proces nakładania proszku.

Jednak zmniejszona zależność od temperatury, a także niewielka krzywizna w niskich temperaturach są związane z zależnością wartości _{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.cp} od temperatury.

Optymalizacja ustawień procesu na podstawie wyników analizy

W przypadku zastosowania takich przewodzących wypełniaczy w zarządzaniu ciepłem ważne jest, aby dostosować orientację drukowanych części 3D, aby uwzględnić anizotropię wynikającą z procesu powlekania i geometrii wypełniacza.

W odniesieniu do ustawień procesu, a w szczególności temperatury wytwarzania, zaobserwowano, że mieszanina płatków musiała być przetwarzana w temperaturze wytwarzania 173°C, która była o 6°C wyższa niż w przypadku mieszanin z kulkami. Wyższa Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna i niższe ciepło właściwe prowadzą do zmniejszonej zdolności magazynowania ciepła w mieszance i lepszego odprowadzania ciepła. Szczególnie w płaszczyźnie xy, gdzie uzyskano najwyższe przewodności z płatkami Cu, należy oczekiwać, że energia wejściowa z lasera jest szybciej rozprowadzana, co prowadzi do niższej temperatury. Zwiększenie temperatury wytwarzania przeciwdziała zatem temu efektowi.

Aby lepiej zrozumieć wpływ różnych kształtów wypełniacza na pobór energii, Lanzl i in. przeanalizowali grubość pojedynczej warstwy. Stwierdzono, że grubość warstwy mieszaniny z płatkami Cu jest znacznie cieńsza. Badaniaarcprzypisały to zwiększonemu przewodnictwu cieplnemu w płaszczyźnie xy w porównaniu z kierunkiem grubości, a także zwiększonemu rozproszonemu odbiciu lasera, co skutkuje niższym poborem energii. Ta dodatkowa analiza podkreśla znaczenie zrozumienia zmian dyfuzyjności i przewodności cieplnej dla wszystkich aspektów procesu SLS i najbardziej odpowiednich ustawień procesu.

Informacje 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 sieciowane promieniowaniem, delikatne przetwarzanie i wiele innych.

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 of Copper Filled Polyamide 12: Characterization of powder properties andprocess behavior - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library