How Fillers Affect the Crystallization Behavior of SLS Powders

Ett krav kan vara högre duktilitet (t.ex. PA11), andra kan vara bättre dimensionsstabilitet (t.ex. tillsats av glaspärlor), högre elektrisk eller termisk ledningsförmåga (t.ex. fyllmedel som aluminium eller koppar) eller ökad styvhet och hållfasthet (t.ex. tillsats av glas- eller kolfibrer).

Fyllnadsmedel fungerar som kärnbildningsställen

Tillsats av fyllmedel till SLS-pulver påverkar vanligtvis kristallisationsbeteendet eftersom fyllmedlens ytor fungerar som heterogena kärnbildningsställen. Ledande fyllmedel kan också påverka materialtemperaturen och därför visa ytterligare förändrat beteende. dynamiska DSC-mätningar (Differential Scanning Calorimetry) kan ge en första indikation på ett förändrat beteende, som sedan kan analyseras ytterligare genom isotermiska mätningar vid eller nära tillverkningstemperaturen.

Lägga till ledande kopparfyllnadsmaterial

För att förstå effekten av ledande fyllmedel har forskare vid Institute of Polymer Technology (LKT) vid University of Erlangen-Nuremburg experimenterat med kopparfyllmedel [1]. De använde olika blandningar av kopparsfärer och flingor (figur 1) med varierande innehåll och analyserade bearbetningsbeteendet samt de resulterande ledande egenskaperna i syfte att generera komplexa komponenter för termisk hantering. En mängd olika prover framställdes genom att tillsätta kopparsfärer i 5 och 10 vol% och kopparflak i 5 vol% till PA12-pulvret. Energitätheten på 0,043 ^J/mm2 hölls konstant för alla material för att upptäcka eventuella förändringar i processbeteendet på grund av fyllmedlen.

Bestämning av processfönster och kristallisationsbeteende för PA12-pulver med kopparpartiklar

På NETZSCH Analyzing & Testing användes en DSC 214 Polyma för att analysera processfönstret och kristallisationsbeteendet hos dessa olika blandningar av PA12-pulver med kopparpartiklar i jämförelse med det rena PA12-materialet.

För varje mätning skars ett prov på 5 mg och placerades i en aluminiumpanna med konkav botten (Concavus^®al) och stängt lock. Provet kyldes från rumstemperatur för att starta mätningen vid -20°C. Därefter upphettades det till 200°C med en uppvärmningshastighet på 10 K/min och kyldes ned med samma kylhastighet på 10 K/min till -20°C.

I följande tabell sammanfattas mätförhållandena.

Tabell 1: Mätförhållanden

Resultaten för den rena PA12 diskuterades i detalj i detta tidigare blogginlägg!

Förändringar i kristallisationsbeteende

I figur 2 visas resultaten av den^första uppvärmningen och kylningen för alla 4 proverna. Som synes påverkas inte den högsta smälttemperaturen av tillsatsen av fyllmedel (skillnaden i area är relaterad till de varierande fyllmedelshalterna och normaliserades inte i detta diagram).

Man kan dock se att den maximala kristallisationstemperaturen liksom början av kristallisationen förskjuts till högre temperaturer med ökande fyllnadsinnehåll.

Toppen förskjuts från 145,8°C för det rena materialet till 149,1°C för 5 volymprocent kopparfyllmedel respektive till 151,3°C för 10 volymprocent.

Man kan dra slutsatsen att fyllmedlen fungerar som kärnbildningsställen och påskyndar kristallisationen. Detta leder till ett något reducerat processfönster och måste beaktas vid valet av bearbetningsförhållanden.

En liknande effekt observerades av WILO SE, en premiumleverantör av pumpar och pumpsystem för glas- och kolfibrer. Läs fallstudien här!

Få en bättre förståelse för kristallisationsbeteendet

Ytterligare studier av det isotermiska kristallisationsbeteendet kan vara användbara för att förstå detta beteende ännu bättre. En detaljerad beskrivning av mätproceduren ges här för ofyllt PA12-pulver.

Forskarna vid LKT utförde dessa ytterligare isotermiska studier vid 165°C på de kopparfyllda proverna och fann att halveringstiden för KristalliseringKristallisation är den fysiska processen av härdning under bildandet och tillväxten av kristaller. Under denna process frigörs kristallisationsvärme.kristallisering reduceras på grund av tillsatsen av fyllmedel, vilket ytterligare bekräftar kärnbildningseffekten. Hela studien finns här [Open Access]!

Om Institutet för polymerteknologi (LKT)

Institutet för polymerteknologi är ett akademiskt forskningsinstitut vid Friedrich-Alexander-universitetet i Erlangen-Nürnberg. Institutet är en av de ledande inom forskning om additiv tillverkning, särskilt SLS. Andra viktiga forskningsområden är lättviktsdesign och FRP, material och bearbetning, fogningsteknik och tribologi. Utöver dessa forskningsområden arbetar institutet även med tvärvetenskapliga ämnen som blandning av fyllnadsmaterial, simulering av bearbetning och tillämpningar, strålningsbundna termoplaster, skonsam bearbetning och mycket mer.

Källor

[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.