Por que o efeito dos enchimentos anisotrópicos na expansão térmica é dependente do processo

Como as cargas anisotrópicas se alinham na manufatura aditiva

No processo de manufatura aditiva da SelectSinterização a laser (SLS), não ocorrem processos de fluxo do fundido, mas do pó. Esse fluxo do pó durante o processo de revestimento alinha os enchimentos anisotrópicos com a direção do fluxo do pó, que é comumente denotada como direção x. No caso das fibras, isso significa que a maioria das fibras está alinhada na direção x, algumas podem ser alinhadas na direção y e muito pouco pode ser orientado na direção z. No caso dos flocos, eles são distribuídos uniformemente no plano xy e apenas alguns podem ser orientados na direção da espessura, z. Esse efeito é diferente, por exemplo, da moldagem por injeção, e pode ser estudado e confirmado por meio de imagens ópticas ou medições indiretas, como o coeficiente de expansão térmica (Coeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE) ou (α).

Determinação da orientação da fibra de esferas e flocos de cobre com análise térmica

Para a análise, foram usadas amostras de um estudo [1] do Instituto de Tecnologia de Plásticos (LKT) da Universidade de Erlangen-Nuremberg.

Researchers produziu diferentes misturas de pó de PA12 com esferas de cobre isotrópicas e flocos anisotrópicos em teores variados (5 e 10 vol% de esferas de cobre e 5 vol% de flocos de cobre) para estudar sua adequação para aumentar 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 do material. No site NETZSCH Analyzing & Testing, todas as amostras foram analisadas usando o NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Para a determinação do coeficiente de expansão térmica (Coeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE), as amostras foram cortadas de espécimes de osso de cachorro em três direções diferentes, Figura 1, direção x e y: 10x5x4,5 ^mm3, direção z: 4.5x5x5 ^mm3.

Ilustração de um corpo de prova para análise de expansão térmica, mostrando as dimensões e os eixos do revestimento em pó na manufatura aditiva.

A expansão térmica foi medida em uma faixa de -20 a 170 ºC usando uma taxa de aquecimento de 5 K/min. Todas as condições de medição estão resumidas na tabela a seguir:

Tabela 1: Condições de medição

Suporte da amostra	Expansão, feito de _SiO2
Carga da amostra	50 mN
Atmosfera	Ele
Vazão de gás	50 ml/min
Faixa de temperatura	-20...170°C a uma taxa de aquecimento de 5 K/min

Comparação do pó de PA12 com e sem enchimento

A Figura 2 mostra os resultados para o PA12 sem enchimento e a mistura com enchimentos isotrópicos.

Expansão térmica medida do PA12 com esferas de Cu a 5 vol% vs. PA12 sem enchimento, mostrando alterações de comprimento dependentes da direção. — Figura 2: Alteração do comprimento medido em função da temperatura da amostra PA12 pura em comparação com a amostra com esferas de 5 vol% de Cu em 3 direções diferentes

É possível observar que a expansão térmica é smallmenor para o sistema com enchimento do que para o sistema sem enchimento, mesmo que o conteúdo volumétrico de 5 vol% seja bastante small.

Comparando as diferentes direções, descobrimos que a expansão térmica na direção da espessura é menor para ambos os materiais. Entretanto, a diferença é ainda maior para a amostra preenchida com cobre. Isso pode ser explicado pela solidificação diferente e pela adesão de partículas em uma camada (no plano xy) em comparação com a adesão entre camadas. Isso é normalmente observado por mudanças nas propriedades mecânicas, mas também foi observado por Lanzl et al. [1] como uma mudança na porosidade. Como o researchers constatou que a porosidade é maior com os compósitos preenchidos com cobre, isso também explica a maior diferença entre as direções z e xy. O mesmo efeito foi observado com esferas de vidro como cargas isotrópicas.

Comparação de diferentes conteúdos de volume de esferas de cobre

A comparação entre os diferentes conteúdos de volume das esferas de Cu é mostrada na Figura 3. Não há alteração significativa observada entre as amostras.

O HFM 446 da Netzsch, um analisador de condutividade térmica compacto, apresenta um visor digital e saída de papel. — Figura 3: Alteração do comprimento medido em função da temperatura das duas amostras com esferas de 5 e 10 vol% de Cu em 3 direções diferentes

Comparação de diferentes formatos de cobre

A comparação de diferentes formatos de cobre com o mesmo teor de volume de 5 vol% de material de enchimento é exibida na Figura 4.

Alteração do comprimento medido do PA12 com esferas de cobre de 5 vol% vs. flocos em três direções, ilustrando o comportamento da expansão térmica. — Figura 4: Alteração do comprimento medido em função da temperatura das amostras com esferas e flocos de 5 vol% de Cu, respectivamente, em três direções diferentes

Com o mesmo conteúdo de volume, a direcionalidade se torna bastante evidente. As esferas de Cu apresentam comportamento isotrópico. Em comparação, os flocos diminuem o Coeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE nas direções x e y e o aumentam na direção z. O motivo é o alinhamento dos enchimentos. Durante o processo de revestimento, os flocos são alinhados no plano xy, tendo assim o efeito mais pronunciado nessas direções. No entanto, eles não atravessam as camadas vizinhas nem mostram um alinhamento suficientemente significativo na direção z para fazer uma grande contribuição para a expansão térmica. O valor de Coeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE na direção da espessura é quase o mesmo do material da matriz PA12. Conforme explicado anteriormente, esse comportamento é uma consequência direta do processamento e do alinhamento dos enchimentos devido a isso.

Melhor comparação com o coeficiente de expansão do volume térmico

Para comparar os dois materiais, o coeficiente de expansão do volume térmico precisa ser levado em conta. Como ambas as amostras têm o mesmo teor de cobre de 5 vol%, o Coeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE de volume deve ser aproximadamente o mesmo.

Para materiais isotrópicos, o Coeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE de volume é calculado como _αv = 3 _αl ou _αv = 3 _αx

Para materiais anisotrópicos, _αv é dado por _αv = (_αx + _αy + _αz)

Usando os dados medidos aqui, _αv do compósito com esferas de Cu é 482,^0×10-6 1/K e _αv do compósito com flocos de Cu é 464,^2×10-6 1/K, mostrando que o conteúdo geral do enchimento tem a maior influência, mas a distribuição da expansão térmica em diferentes direções é fortemente afetada pelo formato do enchimento.

Detecção do comportamento anisotrópico do material com o LFA

Outro método de análise térmica que é útil para detectar o comportamento anisotrópico do material e entender sua eficácia para aplicações de gerenciamento térmico é a análise de flash a laser (LFA) para medir a difusividade térmica. Leia nos artigos quais alterações são detectadas em peças de PA12 com esferas e flocos de cobre como enchimento e como 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, a 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 térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.capacidade de calor específico e o Coeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE são usados para calcular a condutividade térmica.

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 incluem design leve e FRP, materiais e processamento, tecnologia de junção e tribologia. Além desses focos, 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 muito mais.

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

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