imprimare 3D: Cinetica de cristalizare a poliamidei 12 în timpul sinterizării selective cu laser

Fuziunea pe pat de pulbere (PBF), denumită și 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), este tehnologia de construcție strat cu strat a obiectelor 3D, în care o rază laser trasează selectiv o zonă predefinită pe stratul de pulbere. Fasciculul laser determină topirea pulberii și, la aplicarea următorului strat de pulbere (mai rece), ar putea iniția cristalizarea. Acest proces se repetă până la crearea întregii piese. O descriere completă a procesului poate fi găsită în articolul nostru de pe blog privind SLS [2].

Unul dintre cele mai utilizate materiale este PA12, dar se dezvoltă în mod constant modificări sau alte materiale cu proprietăți îmbunătățite sau diferite.

Înainte de a lucra cu un material nou, este foarte important să cunoaștem comportamentul de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare al noului material pentru a găsi temperaturile optime pentru procesul SLS. Aceste temperaturi sunt unul dintre parametrii principali ai procesului de SinterizareSinterizarea este un proces de producție pentru formarea unui corp rezistent din punct de vedere mecanic dintr-o pulbere ceramică sau metalică. sinterizare, influențând viteza de SinterizareSinterizarea este un proces de producție pentru formarea unui corp rezistent din punct de vedere mecanic dintr-o pulbere ceramică sau metalică. sinterizare, precum și calitatea produsului final. Abordarea obișnuită de tip "încercare și eroare" consumă foarte mult timp și, prin urmare, este costisitoare. În schimb, calificarea unui material nou poate fi realizată mult mai rapid cu ajutorul software-ului Kinetics Neo pentru modelarea cinetică a vitezei de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare pe baza datelor din Calorimetria Diferențială de Scanare (DSC), urmată de o simulare a procesului pentru diferite profiluri de temperatură.

În primul rând, se efectuează măsurătorile experimentale DSC , urmate de analiza cinetică a acestor date pentru a crea modelul cinetic. În cele din urmă, modelul este utilizat la simularea diferitelor scenarii de temperatură de procesare pentru a găsi cel mai optim.

Experimental

DSC permite determinarea temperaturilor de topire și cristalizare în timpul încălzirii și răcirii. Aceste temperaturi definesc fereastra de proces a temperaturilor de lucru pentru tehnologia SLS [1]. Cu toate acestea, aceste temperaturi depind de ratele de încălzire și răcire, deoarece ambele procese sunt dependente de timp. Pentru rate mai mici de încălzire și răcire, fereastra de proces va fi redusă. Acest lucru necesită măsurători izoterme [2].

Măsurătorile izoterme furnizează informații despre rata de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare izotermă la diferite temperaturi. Această rată de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare depinde de gradul de suprarăcire a unui material. De exemplu, cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât gradul de suprarăcire este mai mare și, prin urmare, rata de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare este mai mare. Această dependență este notabilă în măsurătorile experimentale pentru PA12, efectuate cu DSC 214 Polyma (Fig.1). Experimentele au fost efectuate pe probe de PA12 cu o masă de aproximativ 5 mg într-o tavă de aluminiu (Concavus^® Al) cu capac închis, sub azot. Segmentul izoterm prezentat aici urmează o rampă de răcire rapidă de la temperaturi superioare temperaturii de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire.

Analiză cinetică

Analiza cinetică a măsurătorilor de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizareizotermă DSC, la diferite temperaturi, a fost efectuată utilizând software-ulNETZSCH Kinetics Neo. Acesta a furnizat un model cinetic în funcție de timp și temperatură, care poate descrie toate curbele experimentale la diferite temperaturi. Acest model calculează rata de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare prin ecuația cinetică:

În analiza izotermă a cristalizării, prima dependență este reprezentată de obicei de ecuația Avrami, care reprezintă rata de nucleare a cristalizării.

Versiunea extinsă a ecuației Avrami (4, a se vedea sfârșitul articolului) este ecuația Sestak-Berggren (5, a se vedea sfârșitul articolului). Această ecuație extinsă este utilizată în analiza actuală deoarece oferă o mai bună potrivire pentru datele experimentale

Dependența K(T) din ecuația (1) este o ecuație formală Arrhenius ca funcție descrescătoare a temperaturii cu preexponentul A și energia de activare aparentă E:

Acest model cinetic (Eq1) prezintă dependența ratei de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare actuale de temperatură și de gradul de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare actual.

Ecuațiile conțin parametri necunoscuți, care sunt găsiți de software pentru a determina cea mai bună potrivire pentru curbele experimentale.

Dacă această simulare este efectuată pentru condițiile de temperatură ale experimentelor izoterme cu parametri optimi, va exista o concordanță foarte bună între experiment și simulare cu^{R2 = 0},998. În figura 2, punctele reprezintă datele experimentale, iar liniile continue, simularea, conform ecuațiilor (1,3,4).

Simulări

Acest model unic funcționează acum pentru diferite temperaturi. Prin urmare, acesta poate fi utilizat pentru simularea cristalizării în procesul SLS. Profilul de temperatură al suprafeței pulberii poate fi măsurat pe durata mai multor cicluri. Putem apoi rula o simulare a procesului de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare pentru acest strat de pulbere. Se poate presupune că fiecare strat inferior are un profil de temperatură similar, dar cu temperaturi ușor reduse datorită aplicării pulberii pentru fiecare strat. Astfel, se poate simula procesul de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare a unui singur strat pe parcursul mai multor cicluri laser. Figura 3 prezintă simularea gradului de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare pe parcursul a 5 cicluri în care, pentru fiecare ciclu sau strat nou, temperatura a fost redusă cu 2 K.

Observăm că un strat nu se poate cristaliza complet în timpul constrângerilor de timp ale unui ciclu, atunci când acest strat se află deasupra patului de pulbere. Cu toate acestea, cristalizarea continuă pe parcursul procesului SLS, deoarece fiecare ciclu produce alte straturi. Cristalizarea pe parcursul mai multor cicluri este unul dintre avantajele SLS, când obiectul 3D rezultat are o aderență foarte puternică a straturilor și proprietăți mecanice izotrope în toate direcțiile, cum ar fi duritatea, rezistența la tracțiune și alungirea [3].

Cu toate acestea, dacă grosimea stratului de pulbere crește, atunci diferența de temperatură dintre straturi va fi mai mare. Acest lucru se poate întâmpla în timpul sinterizării de mare viteză. Simularea pe 5 cicluri cu o diferență de temperatură de 5 K (figura 4) arată că cristalizarea principală este deja finalizată în timpul celui de-al doilea ciclu, în timp ce al treilea strat este deja solid. Această CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare asincronă ar putea fi motivul tensiunilor mecanice, al deformării sau al curbării probei din cauza contracției sale în timpul procesului SLS. În plus, utilizarea unor straturi groase de pulbere ar putea reduce izotropia materialului final.

Concluzie

Combinația dintre NETZSCH Kinetics Neo și DSC ajută la studierea ratei de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare a materialelor (polimeri) și la simularea comportamentului acestora pentru procese industriale complexe, cum ar fi imprimarea 3D prin tehnologia Selective Laser Sintering. Acest lucru este foarte valoros pentru căutarea condițiilor optime de temperatură pentru noile materiale utilizate în SLS.

Citiți și / Surse:

1. https://ta-NETZSCH.com/how-to-determine-the-process-window-for-sls-powders-using-dsc
2. https://ta-NETZSCH.com/how-to-study-the-isothermal-crystallization-behavior-of-sls-powder-using-dsc
3. https://3dinsider.com/sls-printing/
4. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.03.034
5. https://doi.org/10.1016/0040-6031(71)85051-7