Jak pojemność cieplna właściwa wypełnionych proszków wpływa na parametry przetwarzania SLS

Takie systemy wypełniaczy to materiały o wyższej przewodności elektrycznej lub cieplnej, takie jak aluminium lub miedź. Jeśli osiągnięta zostanie 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, w zasięgu są aplikacje do zarządzania ciepłem, które mogą być dodatkowo ulepszone dzięki złożonym geometriom możliwym do uzyskania za pomocą SLS. Podczas gdy zmieniona wydajność jest pożądana w końcowym komponencie, dodanie wypełniaczy do proszków SLS ma również wpływ na zachowanie przetwarzania i musi być zrozumiane, aby pomyślnie zakończyć zadanie budowy.

Dlaczego miedź jest odpowiednia

Weźmy na przykład miedź jako materiał dobrze przewodzący ciepło. Jej pojemność ciepl na właściwa mieści się w zakresie 0,4 J/g×K. Zmieszanie jej z proszkiem PA12 musi prowadzić do zmniejszenia pojemności cieplnej właściwej mieszaniny. W związku z tym zdolność mieszanki do magazynowania ciepła jest zmniejszona, ciepło jest odprowadzane szybciej, a bilans cieplny konstrukcji może ulec zmianie. Dowiedz się więcej o pomiarach _cp dla niewypełnionych proszków PA12 tutaj!

Przygotowanie próbek do analizy

W badaniu przeprowadzonym w Instytucie Technologii Polimerów (LKT) na Uniwersytecie Erlangen-Norymberga, różne mieszanki miedzianych kulek i płatków o różnej zawartości zostały wyprodukowane i przetworzone w maszynie EOS Formiga P110. Próbki różniły się zarówno formą wypełniacza (kulki i płatki), jak i zawartością objętościową (5 i 10%).

Gęstość ^energii1 wynosząca 0,043 ^J/mm2 była utrzymywana na stałym poziomie dla wszystkich materiałów w celu wykrycia wszelkich zmian w zachowaniu procesu spowodowanych wypełniaczami. Podczas przetwarzania nie można było wyprodukować próbek z płatkami miedzi o zawartości 10% obj. Temperaturę procesu dla mieszaniny z kulkami miedzi ustalono odpowiednio na 167°C, a z płatkami miedzi na 173°C.

Pomiar pojemności cieplnej właściwej

Do pomiaru pojemności cieplnej właściwej _{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} w funkcji temperatury tych różnych mieszanin proszku PA12 z cząstkami miedzi w porównaniu z czystym materiałem PA12 wykorzystano urządzenie NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®. Pomiary przeprowadzono zgodnie z normami ASTM E1269 i ISO 11357-4.

Po początkowym etapie chłodzenia do -25°C, temperatura została zwiększona do 215°C przy 10 K/min. Zmierzono dwie różne próbki i obliczono średnią. Poniższa tabela podsumowuje warunki pomiaru.

Tabela 1: Warunki pomiaru

Analiza danych pomiarowych za pomocą inteligentnego oprogramowania

Analiza w oprogramowaniu NETZSCH Proteus^® przedstawiono na rysunku 1. Pokazuje on "pozorną" pojemność cieplną właściwą próbki PA12 z kulkami miedzianymi o stężeniu 5% objętościowych, nałożoną na efekty topnienia i zeszklenia.

Dane _{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} można łatwo wywnioskować z tej krzywej. Jednak w zakresie temperatur między 90-190°C efekt rosnącego _{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 EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny efekt topnienia są sobie przeciwne. Dlatego wartości w zakresie topnienia są zazwyczaj interpolowane.

Rysunek 2 przedstawia 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} po interpolacji dla wszystkich czterech próbek.

Zgodnie z oczekiwaniami można zauważyć, że _cp rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Dodatkowa zawartość miedzi zmniejsza _cp i nie można wykryć wpływu geometrii wypełniacza. Badaniaarcprzeprowadzone w LKT potwierdziły nawet, że spadek _cp wraz ze wzrostem zawartości miedzi jest zgodny z zasadą mieszaniny. Zmierzyli oni jednak _cp tylko w temperaturze 25°C. Pomiary zależne od temperatury pokazane na rysunku 2 wskazują ponadto, że nachylenie wzrostu _cp wraz z temperaturą jest nieznacznie zmniejszone, im więcej cząstek miedzi znajduje się w mieszaninie.

Pomiary potwierdzają, że zmiana _cp może przyczynić się do wyższego nakładu energii wymaganego podczas drukowania 3D. Potrzebne są jednak dodatkowe informacje na temat przewodności cieplnej, aby ocenić wpływ obu efektów na warunki termiczne.

Należy zauważyć, że takie zachowanie jest uniwersalne dla wszystkich tworzyw sztucznych modyfikowanych wypełniaczami termoprzewodzącymi. Dlatego jest to ważna wielkość, którą należy zmierzyć przy projektowaniu, a także symulacji formowania wtryskowego radiatorów lub innych komponentów potrzebnych do zarządzania ciepłem.

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 badawczearch obejmują projektowanie lekkich konstrukcji i FRP, materiały i przetwarzanie, technologię łączenia i trybologię. Oprócz tych obszarów badawczycharch, instytut pracuje również nad interdyscyplinarnymi tematami, takimi jak mieszanie materiałów wypełniających, symulacja przetwarzania i zastosowań, termoplasty sieciowane promieniowaniem, delikatne przetwarzanie i wiele innych.

^{1Gęstość energii}= ilość energii zawarta w systemie w porównaniu do jego objętości