Hur specifik värmekapacitet hos fyllda pulver påverkar SLS-bearbetningsparametrar

Sådana fyllnadsmaterial är material med högre elektrisk eller termisk ledningsförmåga, t.ex. aluminium eller koppar. Om en högre Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga uppnås kan applikationer för värmehantering bli aktuella, vilket kan förbättras ytterligare med de komplexa geometrier som är möjliga med SLS. Även om den förändrade prestandan är önskvärd i den slutliga komponenten, har tillsats av fyllmedel till SLS-pulver också en effekt på bearbetningsbeteendet och måste förstås för att framgångsrikt avsluta ett byggjobb.

Varför koppar är lämpligt

Ta till exempel koppar som är ett bra värmeledande material. Dess specifika värmekapacitet ligger i storleksordningen 0,4 J/g×K. Om koppar blandas med PA12-pulver måste det leda till att blandningens specifika värmekapacitet minskar. Därför minskar föreningens förmåga att lagra värme, värmen avges snabbare och den termiska balansen i en byggnad kan ändras. Läs mer om _{cp-mätningar} på ofyllda PA12-pulver här!

Förbereda proverna för analys

I en studie vid institutet för polymerteknologi (LKT) vid universitetet i Erlangen-Nürnberg producerades och bearbetades olika blandningar av kopparsfärer och flingor i varierande halter i en EOS Formiga P110-maskin. Proverna varierade både i form av fyllmedel (sfärer och flingor) och i volyminnehåll (5 och 10 %).

^{Energitätheten1} på 0,043 ^J/mm2 hölls konstant för alla material för att upptäcka eventuella förändringar i processbeteendet på grund av fyllmedlen. Under bearbetningen kunde inga prover produceras med kopparflaken på 10 volymprocent. Processtemperaturen för blandningen med kopparsfärer bestämdes till 167°C och med kopparflak till 173°C.

Mätning av specifik värmekapacitet

En NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® användes för att mäta den specifika värmekapaciteten _{Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp} som en funktion av temperaturen för dessa olika blandningar av PA12-pulver med kopparpartiklar jämfört med det rena PA12-materialet. Mätningarna utfördes i enlighet med ASTM E1269 och ISO 11357-4.

Efter ett inledande kylsteg till -25°C höjdes temperaturen till 215°C med 10 K/min. Två olika prover mättes och medelvärdet beräknades. I följande tabell sammanfattas mätförhållandena.

Tabell 1: Mätförhållanden

Analysera mätdata med en smart programvara

Analysen i programvaran NETZSCH Proteus^® programvaran visas i figur 1. Den visar den "skenbara" specifika värmekapaciteten för ett PA12-prov med 5 vol% kopparsfärer, överlagrad av effekterna för Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning och GlasomvandlingstemperaturGlasövergången är en av de viktigaste egenskaperna hos amorfa och halvkristallina material, t.ex. oorganiska glas, amorfa metaller, polymerer, läkemedel och livsmedelsingredienser etc., och beskriver det temperaturområde där materialens mekaniska egenskaper ändras från hårda och spröda till mer mjuka, deformerbara eller gummiaktiga.glasövergång.

_Cp-data kan lätt härledas från denna kurva. I temperaturområdet mellan 90-190°C motverkar emellertid effekten av det ökande _{Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp} och den endotermiska effekten av smältningen varandra. Därför interpoleras normalt värdena i smältområdet.

Figur 2 visar _{Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-värdena} efter interpoleringen för alla fyra proverna.

Som väntat kan man se att _cp ökar med ökande temperatur. Den extra kopparhalten minskar _cp och ingen effekt av fyllnadsmaterialets geometri kan påvisas. Forskarna vid LKT bekräftade till och med att minskningen av _cp med ökande kopparhalt följer blandningsregeln. De mätte dock bara _cp vid 25°C. De temperaturberoende mätningarna som visas i figur 2 indikerar vidare att lutningen på _cp-ökningen med temperaturen minskar något ju mer kopparpartiklar som finns i blandningen.

Mätningarna bekräftar att förändringen i _cp kan bidra till den högre energitillförsel som krävs vid 3D-utskrift. Ytterligare information om värmeledningsförmågan behövs dock för att utvärdera båda effekternas inverkan på de termiska förhållandena.

Det bör noteras att detta beteende är universellt för alla plastmaterial som modifierats med värmeledande fyllmedel. Därför är det en viktig kvantitet som ska mätas för design samt simulering av formsprutning av kylflänsar eller andra komponenter som behövs för termisk hantering.

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, tvärbunden termoplast med strålning, skonsam bearbetning och mycket mer.

^{1Energidensitet}= Hur mycket energi ett system innehåller i förhållande till sin volym