De ce efectul umpluturilor anizotrope asupra expansiunii termice este dependent de proces

Cum se aliniază umpluturile anizotrope în fabricarea aditivă

În procesul de fabricație aditivă de SinterizareSinterizarea este un proces de producție pentru formarea unui corp rezistent din punct de vedere mecanic dintr-o pulbere ceramică sau metalică. sinterizare selectivă cu laser (SLS), nu au loc procese de curgere a topiturii, ci a pulberii. Această curgere a pulberii în timpul procesului de acoperire aliniază materialele de umplutură anizotrope cu direcția curgerii pulberii, care este denumită în mod obișnuit direcția x. În cazul fibrelor, aceasta înseamnă că majoritatea fibrelor sunt aliniate în direcția x, unele se pot alinia în direcția y și foarte puține se pot orienta în direcția z. În cazul fulgilor, aceștia sunt distribuiți uniform în planul xy și doar câțiva ar putea fi orientați în direcția grosimii, z. Acest efect este diferit, de exemplu, de cel al turnării prin injecție și poate fi studiat și confirmat utilizând imagistica optică sau măsurători indirecte, cum ar fi coeficientul de dilatare termică (Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE) sau (α).

Determinarea orientării fibrelor din sfere și fulgi de cupru cu ajutorul analizei termice

Pentru analiză, au fost utilizate probe dintr-un studiu [1] al Institutului de Tehnologie a Materialelor Plastice (LKT) de la Universitatea din Erlangen-Nürnberg.

Cercetătorii au produs diferite amestecuri de pulbere PA12 cu sfere izotrope de cupru și fulgi anizotropi în diferite conținuturi (5 și 10 vol% sfere de cupru și 5 vol% fulgi de cupru) pentru a studia adecvarea acestora pentru a crește conductivitatea termică a materialului. La NETZSCH Analyzing & Testing, toate probele au fost analizate utilizând NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Pentru determinarea coeficientului de dilatare termică (Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE), probele au fost tăiate din specimene de os de câine în trei direcții diferite, Figura 1, direcția x și y: 10x5x4,5 ^mm3, direcția z: 4.5x5x5 ^mm3.

Expansiunea termică a fost măsurată într-un interval cuprins între -20 și 170 ºC, utilizând o rată de încălzire de 5 K/min. Toate condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul următor:

Tabelul 1: Condiții de măsurare

Compararea pulberii PA12 neumplută și umplută

Figura 2 prezintă rezultatele pentru PA12 fără umplutură și amestecul cu umpluturi izotrope.

Se poate observa că dilatarea termică este mai mică pentru sistemul umplut decât pentru sistemul neumplut, chiar dacă conținutul de volum de 5 % vol. este destul de mare small.

Comparând direcțiile diferite, constatăm că dilatarea termică în direcția grosimii este mai mică pentru ambele materiale. Cu toate acestea, diferența este și mai mare pentru proba umplută cu cupru. Acest lucru poate fi explicat prin solidificarea diferită și aderența particulelor în interiorul unui strat (în planul xy) comparativ cu aderența dintre straturi. Acest lucru se observă de obicei prin modificări ale proprietăților mecanice, dar a fost observat și de Lanzl et al. [1] ca o modificare a porozității. Deoarece cercetătorii au constatat că porozitatea este mai mare în cazul compozitelor umplute cu cupru, aceasta explică și diferența mai mare dintre direcțiile z și xy. Același efect a fost observat și în cazul mărgelelor de sticlă ca materiale de umplutură izotrope.

Compararea diferitelor conținuturi volumice de sfere de Cu

Comparația dintre diferitele conținuturi volumice de sfere de Cu este prezentată în figura 3. Nu se observă nicio schimbare semnificativă între probe.

Compararea diferitelor forme de cupru

Comparația diferitelor forme de cupru la același conținut de volum de 5 vol% material de umplutură este prezentată în figura 4.

La același conținut de volum, direcționalitatea devine destul de evidentă. Sferele de Cu prezintă un comportament izotrop. În comparație, fulgii scad Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE-ul în direcțiile x și y și îl cresc în direcția z. Motivul este alinierea umpluturilor. În timpul procesului de acoperire, fulgii sunt aliniați în planul xy, având astfel cel mai pronunțat efect în aceste direcții. Cu toate acestea, ele nu trec în straturile vecine sau nu prezintă o aliniere suficient de semnificativă în direcția z pentru a avea o contribuție uriașă la dilatarea termică. Valoarea Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE în direcția grosimii este aproape cea a materialului matricei PA12. După cum s-a explicat anterior, acest comportament este o consecință directă a prelucrării și a alinierii materialelor de umplutură datorate acesteia.

Comparație mai bună cu coeficientul de dilatare termică volumică

Pentru a compara cele două materiale, trebuie luat în considerare coeficientul de dilatare termică volumică. Deoarece ambele probe au același conținut de cupru de 5 vol%, Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE volumic ar trebui să fie aproximativ același.

Pentru materialele izotrope, CTE de volum se calculează ca _αv = 3 _αl sau _αv = 3 _αx

Pentru materialele anizotrope, _αv este dat de _αv = (_αx + _αy + _αz)

Folosind datele măsurate aici, _αv al compozitului cu sfere de Cu este de 482,^0×10-6 1/K și _αv al compozitului cu fulgi de Cu este de 464,^2×10-6 1/K, ceea ce arată că conținutul total de umplutură are cea mai mare influență, dar distribuția expansiunii termice în direcții diferite este puternic afectată de forma umpluturii.

Detectarea comportamentului anizotrop al materialelor cu ajutorul LFA

O altă metodă de analiză termică utilă pentru detectarea comportamentului anizotrop al materialelor și pentru înțelegerea eficacității lor în aplicațiile de management termic este analiza cu laser flash (LFA) pentru măsurarea difuzivității termice. Citiți în articole ce modificări sunt detectate în piesele din PA12 cu sfere și fulgi de cupru ca materiale de umplutură și cum sunt utilizate difuzivitatea termică, capacitatea termică specifică și CTE pentru a calcula conductivitatea termică.

Despre Institutul de Tehnologie a Polimerilor (LKT)

Institutul de Tehnologie a Polimerilor este un institut academic de cercetare de la Universitatea Friedrich-Alexander din Erlangen-Nürnberg. Este unul dintre liderii cercetării în domeniul producției aditive, în special SLS. Alte domenii principale de cercetare includ proiectarea ușoară și FRP, materialele și prelucrarea, tehnologia de îmbinare și tribologia. În plus față de aceste domenii de cercetare, institutul lucrează, de asemenea, la subiecte interdisciplinare, cum ar fi compunerea materialelor de umplere, simularea prelucrării și a aplicațiilor, termoplasticele reticulate prin radiații, prelucrarea delicată și multe altele.

Citiți și: https://ta-NETZSCH.com/how-does-selective-laser-sintering-sls-work

Surse

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., Sinterizarea selectivă cu laser a poliamidei 12 umplute cu cupru: Caracterizarea proprietăților pulberii și a comportamentului procesului, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: Sinterizarea selectivă cu laser a poliamidei 12 umplute cu cupru: Caracterizarea proprietăților pulberii și a comportamentului procesului - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library