Pomiar pojemności cieplnej właściwej do symulacji procesów SLS

Podczas procesu SLS (Select ive Laser Sintering) wcześniej stopione warstwy znikają w złożu proszku otoczonym niespieczonym proszkiem. Dlatego informacje o polu temperatury w dolnych warstwach są trudne do zmierzenia. W związku z tym podjęto znaczne wysiłki w celu modelowania i symulacji procesu SLS. Dwie wielkości, które są niezbędne do tego celu, to 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 przewodność cieplna (k) w funkcji temperatury. Dodanie wypełniaczy nie tylko zmienia szybkość krystalizacji, ale także wymaga wyższej temperatury wytwarzania ze względu na zmianę _{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 k.

Jak określić pojemność cieplną właściwą

Aby określić pojemność cieplną właściwą w funkcji temperatury różnych materiałów, stosuje się różnicową kalorymetrię skaningową (DSC). Pojemność cieplną definiuje się jako ilość ciepła niezbędną do podniesienia temperatury 1 g substancji o 1°C przy stałym ciśnieniu p. Pojemność cieplną opisuje równanie przewodnictwa cieplnego. Jest ona opisana równaniem przewodzenia ciepła:

Zgodnie z normą DIN EN ISO 11357-4 (i ASTM E1269), próbka jest mierzona w odniesieniu do drugiej (referencyjnej) próbki o znanej pojemności cieplnej. Typową próbką referencyjną jest szafir, dlatego jeden eksperyment składa się z trzech różnych przebiegów w interesującym zakresie temperatur. Pierwszym z nich jest skanowanie z dwoma pustymi szalkami (linia bazowa), drugim skanowanie z jedną szalką zawierającą próbkę szafiru (odniesienie), a na koniec trzeci przebieg z rzeczywistą próbką (próbka) w tym samym typie szalki.

_Cp jako funkcję temperatury próbki można obliczyć w następujący sposób:

Wykonywanie pomiarów _cp na próbkach proszku polimerowego SLS

W tym przykładzie proszku polimerowego, a dokładniej PA12, pomiary przeprowadzono przy użyciu urządzenia NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® zgodnie z normą. Po początkowym etapie chłodzenia do -25°C, temperaturę zwiększono do 215°C z prędkością 10 K/min. Zmierzono dwie różne próbki i obliczono średnią. Wszystkie warunki pomiarowe zostały podsumowane w poniższej tabeli:

Tabela 1: Warunki pomiaru

Analiza w oprogramowaniu NETZSCH Proteus^® jest pokazana na rysunku 1. Pokazuje on "pozorną" pojemność cieplną właściwą, nałożoną na pik 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. W przypadku pokazanego tutaj PA12 interpolacja byłaby przeprowadzana między 90°C (2,348 J/gK) a 200°C (2,7 J/gK), które są wskazane na wykresie. Wartości te można następnie wyeksportować do późniejszego wykorzystania w symulacjach materiałowych i procesowych, np. dla temperatury złożonej i krzepnięcia w procesie SLS. Innym zastosowaniem danych jest obliczanie przewodności cieplnej na podstawie danych dotyczących dyfuzyjności cieplnej i gęstości.