Как удельная теплоемкость наполненных порошков влияет на параметры обработки SLS

Такие системы наполнителей представляют собой материалы с более высокой электро- или теплопроводностью, например алюминий или медь. Если достигается более высокая теплопроводность, то появляется возможность применения терморегулирования, которое может быть еще больше улучшено благодаря сложной геометрии, возможной при SLS. В то время как измененные характеристики желательны для конечного компонента, добавление наполнителей в порошки SLS также влияет на поведение при обработке и должно быть понято, чтобы успешно завершить работу по сборке.

Почему подходит медь

Возьмем, к примеру, медь как хороший теплопроводный материал. Ее удельная теплоемкость находится в диапазоне 0,4 Дж/г×К. Смешивание ее с порошком PA12 должно привести к снижению удельной теплоемкости смеси. Таким образом, способность смеси аккумулировать тепло снижается, тепло отводится быстрее, и тепловой баланс конструкции может быть изменен. Подробнее об измерении _{удельной} теплоемкости ненаполненных порошков PA12 можно узнать здесь!

Подготовка образцов к анализу

В ходе исследования, проведенного в Институте полимерных технологий (LKT) Университета Эрлангена-Нюрнберга, были получены и обработаны на машине EOS Formiga P110 различные смеси медных сфер и хлопьев с разным содержанием наполнителя. Образцы различались как по форме наполнителя (сферы и хлопья), так и по объемному содержанию (5 и 10 %).

Плотность ^{энергии1} 0,043 ^Дж/мм2 поддерживалась постоянной для всех материалов, чтобы выявить любые изменения в поведении процесса под воздействием наполнителей. В процессе обработки не удалось получить образцы с 10 % медных хлопьев. Температура процесса для смеси с медными сферами была определена как 167°C, а с медными хлопьями - 173°C, соответственно.

Измерение удельной теплоемкости

Для измерения удельной теплоемкости _{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} в зависимости от температуры различных смесей порошка PA12 с частицами меди по сравнению с чистым материалом PA12 использовался прибор NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®. Измерения проводились в соответствии с ASTM E1269 и ISO 11357-4.

После первоначального охлаждения до -25°C температура повышалась до 215°C со скоростью 10 К/мин. Измерялись два разных образца, и рассчитывалось среднее значение. Условия измерений приведены в следующей таблице.

Таблица 1: Условия измерения

Анализ данных измерений с помощью интеллектуального программного обеспечения

Анализ в NETZSCH Proteus^® программное обеспечение показано на рисунке 1. На нем показана "кажущаяся" удельная теплоемкость образца PA12 с 5 об. % медных сфер, наложенная на эффекты для плавления и стеклования.

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.

На рис. 2 показаны значения _{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} после интерполяции для всех четырех образцов.

Как и ожидалось, видно, что _cp увеличивается с ростом температуры. Дополнительное содержание меди снижает _cp, а влияние геометрии наполнителя не обнаруживается. Исследованияarcв компании LKT даже подтвердили, что снижение _cp с увеличением содержания меди соответствует правилу смеси. Однако они измеряли _cp только при 25°C. Измерения в зависимости от температуры, показанные на рис. 2, свидетельствуют о том, что наклон увеличения _cp с температурой немного уменьшается, чем больше частиц меди содержится в смеси.

Измерения подтверждают, что изменение _cp может способствовать увеличению энергозатрат при 3D-печати. Однако для оценки влияния обоих эффектов на тепловые условия необходима дополнительная информация о теплопроводности.

Следует отметить, что такое поведение универсально для всех полимерных материалов, модифицированных теплопроводящими наполнителями. Поэтому это важная величина, которую необходимо измерять при проектировании, а также при моделировании литья под давлением теплоотводов и других компонентов, необходимых для терморегулирования.

Об Институте полимерных технологий (LKT)

arcИнститут полимерных технологий - это академический институт при Университете Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге.arcИнститут является одним из лидеров в области аддитивного производства, в частности SLS.arcarcПомимо этих направлений, институт работает над такими междисциплинарными темами, как компаундирование наполнителей, моделирование процессов обработки и применения, радиационное сшивание термопластов, щадящая обработка и многое другое.

^{1Энергетическая}плотность = количество энергии, содержащееся в системе по сравнению с ее объемом