Измерение удельной теплоемкости для моделирования процессов SLS

Во время процесса SLS (Select ive Laser Sintering) ранее расплавленные слои исчезают в порошковом слое, окруженном неспеченным порошком. Поэтому информацию о температурном поле в нижних слоях трудно измерить. Поэтому были предприняты значительные усилия для моделирования и симуляции процесса SLS. Две важные для этого величины - удельная теплоемкость (_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp}) и теплопроводность (k) в зависимости от температуры. При добавлении наполнителей они не только изменяют скорость кристаллизации, но и требуют более высокой температуры формирования из-за изменения _{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} и k.

Как определить удельную теплоемкость

Для определения удельной теплоемкости в зависимости от температуры различных материалов используется дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Теплоемкость определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г вещества на 1°C при неизменном давлении p. Она описывается уравнением теплопроводности:

В соответствии с DIN EN ISO 11357-4 (и ASTM E1269), образец измеряется относительно второго (эталонного) образца с известной теплоемкостью. Таким образом, один эксперимент состоит из трех различных прогонов в интересующем температурном диапазоне. Первый - это сканирование с двумя пустыми кастрюлями (базовая линия), второй - сканирование с одной кастрюлей, содержащей сапфировый образец (эталонный образец), и, наконец, третий - с реальным образцом (образец) в той же кастрюле.

_Cp как функция температуры образца может быть рассчитана следующим образом:

Выполнение измерений _cp на образцах полимерных порошков SLS

В данном примере с полимерным порошком, в частности PA12, измерения проводились с помощью прибора NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® в соответствии со стандартом. После первоначального охлаждения до -25°C температура была повышена до 215°C со скоростью 10 K/мин. Измерялись два разных образца, и рассчитывалось среднее значение. Все условия измерений приведены в следующей таблице:

Таблица 1: Условия измерений

Анализ в NETZSCH Proteus^® программного обеспечения показан на рисунке 1. На нем показана "кажущаяся" удельная теплоемкость, наложенная на пик плавления и стеклование.

Из этой кривой можно легко вывести данные по _{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp}. Однако в диапазоне температур 90-190°C эффект увеличения _{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} и эндотермический эффект плавления противостоят друг другу. Поэтому значения в диапазоне плавления обычно интерполируются. В случае PA12, показанном здесь, интерполяция выполняется между 90°C (2,348 Дж/гК) и 200°C (2,7 Дж/гК), которые указаны на графике. Полученные значения могут быть экспортированы для последующего использования в моделировании материалов и процессов, например, для расчета температуры подачи и затвердевания в процессе SLS. Еще одно применение этих данных - расчет теплопроводности из данных по теплопроводности и плотности.