Como a difusividade térmica afeta a temperatura de construção no processo SLS

Em um artigo anterior, explicamos a motivação para adicionar cargas condutoras a pós de PA12 e criar componentes complexos para o gerenciamento térmico com o processo de Sinterização a Laser (SLS)Select. Também explicamos as diferentes etapas de preparação de amostras, que são cruciais para a qualidade dos resultados.

Diferentes temperaturas de impressão para diferentes misturas de pó

As amostras foram preparadas como parte de um estudo [1] realizado pela pesquisaarchers no Instituto de Tecnologia de Polímeros (LKT) da Universidade de Erlangen-Nuremberg. Eles usaram diferentes misturas de esferas e flocos de cobre em teores variados: 5 e 10 vol% de esferas de cobre e 5 vol% de flocos de cobre. A DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de energia de 0,043 ^J/mm2 foi mantida constante para todos os materiais a fim de detectar quaisquer alterações no comportamento do processo devido aos enchimentos. Para o pó de esferas de PA12/Cu, foi determinada experimentalmente uma temperatura de construção de 167°C. Para a mistura de flocos de PA12/Cu, a temperatura de construção precisou ser aumentada para 173°C. Supôs-se que uma Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica mais alta e uma capacidade de calor específica mais baixa poderiam ser o motivo. Portanto, a análise a seguir pode ser usada para investigar esses efeitos em detalhes.

Como analisar a difusividade térmica

No site NETZSCH Analyzing & Testing, um LFA 467 Hyperflash foi usado para medir a difusividade térmica dessas diferentes misturas de pó de PA12 com partículas de cobre em comparação com o material PA12 puro.

Um pulso de luz curto aquece a superfície inferior da amostra e o aumento da temperatura na superfície traseira é medido em função do tempo usando um detector de infravermelho.

Isso é repetido para cada etapa de temperatura depois que a temperatura da amostra é estabilizada e a lâmpada de flash também é disparada várias vezes em um intervalo de minutos.

A preparação das amostras é muito importante e é explicada em detalhes aqui.

Depois de carregar as amostras, a medição é iniciada usando as condições resumidas na tabela a seguir:

Tabela 1: Condições de medição

Como as esferas de cobre influenciam a difusividade térmica

O softwareNETZSCH Proteus^® ajusta automaticamente um modelo adequado aos dados medidos para permitir o cálculo dos tempos intermediários, Figura 1.

A Figura 2 mostra a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica analisada em função da temperatura e da orientação da amostra para o PA12 puro em comparação com as misturas de PA12/esfera de cobre.

Como esperado, as amostras de PA12 puro não apresentam direcionalidade e os valores de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica são os mais baixos. Elas apresentam a diminuição típica com o aumento da temperatura até aTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). temperatura de fusão.

As amostras com esferas de Cu de 5 vol% apresentam valores ligeiramente mais altos para a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica do que o PA12 puro, e as amostras com esferas de Cu de 10 vol% apresentam os valores mais altos dos três materiais. Isso é resultado da maior Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica do cobre em comparação com a matriz isolante. Na maioria das amostras, nenhuma direcionalidade é observada devido às propriedades isotrópicas das esferas. Entretanto, para a amostra com esferas de 10 vol% de Cu na direção da espessura z, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica é ligeiramente menor do que nas outras duas direções. Isso provavelmente está relacionado à maior porosidade dessas amostras, que foi medida por Lanzl et al. [1]. Os resultados do LFA indicam maior porosidade entre as camadas na direção z do que dentro de uma camada no plano xy.

Como os flocos de cobre influenciam a difusividade térmica

Um comportamento diferente é observado com os flocos de cobre, conforme mostrado na Figura 3, onde as medições de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica de todas as amostras na direção x e dos flocos em todas as três direções são comparadas.

Os flocos apresentam valores muito mais altos para a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica do que as outras misturas com esferas e o PA12 puro. O alto grau de anisotropia é esperado com base no caráter 2D do material de enchimento. A maior Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica é medida na direção y, seguida pela direção x. Os valores mais baixos são obtidos por meio da espessura de uma camada na direção z. Isso indica uma orientação preferencial mais alta no plano xy, o que provavelmente se deve ao processo de aplicação do pó.

A Figura 4 mostra uma imagem de microscopia da seção transversal de uma única camada da mistura de flocos de PA12/Cu, conforme relatado por Lanzl et al. [1]. A imagem mostra que as partículas se tocam e, portanto, a resistência térmica geral do material (ou aqui a seção transversal) deve ser minimizada. A maioria dos enchimentos está orientada horizontalmente, o que corresponde ao plano xy. No entanto, é possível observar que alguns flocos estão inclinados em um ângulo, o que resulta em uma maior difusividade térmica na direção z em comparação com todas as outras amostras.

As medições de difusividade térmica fornecem informações significativas sobre a orientação dos enchimentos e sua proximidade entre si, sem a necessidade de imagens ópticas adicionais.

Como determinar a condutividade térmica

Para análises ou simulações adicionais, além da difusividade térmica, a, é necessária a condutividade térmica, l. Para calcular a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, são necessárias a capacidade de calor específica, _{Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp}, e a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade, r:

λ(T)=a(T)_{∙Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp}(T)∙ρ(T)

Tanto a difusividade térmica quanto a capacidade de calor específica são medidas em função da temperatura. A medição e os resultados das _mediçõesde cp são explicados aqui. No entanto, a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade requer a reutilização da DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade à temperatura ambiente, bem como o coeficiente de expansão térmica para a faixa de temperatura investigada:

ρ(T)_=ρRT∙αv(T)

A DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade à temperatura ambiente foi medida pelo método de flutuação-flotação com água; o coeficiente de expansão térmica, α, é medido com um Analisador Termomecânico (TMA), que será explicado em um artigo posterior. O coeficiente de expansão depende da direção e é calculado da seguinte forma

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

Maior teor de cobre = Maior condutividade térmica

Os valores de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica calculados resultantes são plotados na Figura 6 como uma função da temperatura para os diferentes materiais e misturas.

As mesmas tendências observadas para a difusividade térmica são observadas:

• Com o aumento do teor de cobre, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica está aumentando.
• As esferas de cobre mostram principalmente um comportamento isotrópico. As diferenças nos valores estão relacionadas à porosidade das amostras.
• Os flocos de cobre mostram o maior aumento na Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, pois os enchimentos se tocam parcialmente e reduzem a resistência à condutividade do material composto.
• Os flocos de cobre apresentam comportamento anisotrópico devido à sua geometria 2D e ao processo de aplicação do pó.

Entretanto, a dependência reduzida da temperatura, bem como a leve curvatura em baixas temperaturas, está relacionada à dependência da temperatura dos valores de _{Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp}.

Otimização das configurações do processo com base nos resultados da análise

Para a aplicação desses enchimentos condutores no gerenciamento térmico, é importante ajustar a orientação das peças impressas em 3D para levar em conta qualquer anisotropia devido ao processo de revestimento e à geometria do enchimento.

Com relação às configurações do processo e, em particular, à temperatura de construção, observou-se que a mistura dos flocos precisava ser processada a uma temperatura de construção de 173°C, que era 6°C mais alta do que as misturas com esferas. A maior Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e o menor calor específico levam a uma capacidade reduzida de armazenamento de calor no composto e a uma melhor descarga do calor. Especialmente no plano xy, onde foram obtidas as condutividades mais altas com flocos de Cu, é de se esperar que a entrada de energia do laser seja distribuída mais rapidamente, levando a uma temperatura mais baixa. Assim, o aumento da temperatura de construção está neutralizando esse efeito.

Para entender melhor a influência das diferentes formas de preenchimento na entrada de energia, Lanzl et al. analisaram a espessura de uma única camada. Verificou-se que a espessura da camada da mistura com flocos de Cu é significativamente mais fina. O sitearchers atribuiu esse fato ao aumento da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica no plano xy em comparação com a direção da espessura e também ao aumento da reflexão difusa do laser, o que resulta em menor entrada de energia. Essa análise adicional destaca a importância de compreender as alterações na difusividade e condutividade térmicas para todos os aspectos do processo SLS e as configurações de processo mais adequadas.

Sobre o Instituto de Tecnologia de Polímeros (LKT)

arcO Institute of Polymer Technology é um instituto acadêmico da Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg. É um dos líderes na pesquisa de manufatura aditivaarch; especialmente SLS.arcarcOutras áreas principais de pesquisa incluem design leve e FRP, materiais e processamento, tecnologia de junção e tribologia. Além desses focos de pesquisa, o instituto também está trabalhando em tópicos interdisciplinares, como composição de material de enchimento, simulação de processamento e aplicações, termoplásticos reticulados por radiação, processamento suave e muitos outros.

Fontes

[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: Selectivelaser sintering of copper filled polyamide 12: Characterization of powder properties and process behavior - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Libra^® ry