Hur termisk diffusivitet påverkar byggtemperaturen i SLS-processen

I en tidigare artikel förklarade vi motivationen till att lägga till ledande fyllmedel i PA12-pulver och skapa komplexa komponenter för termisk hantering med Selective Laser Sintering (SLS)-processen. Vi förklarade också de olika stegen i provberedningen, som är avgörande för kvaliteten på resultaten.

Olika trycktemperaturer för olika pulverblandningar

Proverna framställdes som en del av en studie [1] av forskare vid Institute of Polymer Technology (LKT) vid University of Erlangen-Nuremberg. De använde olika blandningar av kopparsfärer och flingor med varierande innehåll: 5 och 10 volymprocent kopparsfärer och 5 volymprocent kopparflingor. Energitätheten på 0,043 ^J/mm2 hölls konstant för alla material för att upptäcka eventuella förändringar i processbeteendet på grund av fyllmedlen. För pulvret med PA12/Cu-sfärer bestämdes en tillverkningstemperatur på 167°C experimentellt. För blandningen av PA12/Cu-flingor behövde tillverkningstemperaturen höjas till 173°C. Det antogs att 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 och lägre 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.specifik värmekapacitet kunde vara orsaken. Följande analys kan därför användas för att undersöka dessa effekter i detalj.

Hur man analyserar termisk diffusivitet

På NETZSCH Analyzing & Testing användes en LFA 467 Hyperflash för att mäta den termiska diffusiviteten hos dessa olika blandningar av PA12-pulver med kopparpartiklar i jämförelse med det rena PA12-materialet.

En kort ljuspuls värmer upp provets bottenyta och temperaturökningen på baksidan mäts som en funktion av tiden med hjälp av en IR-detektor.

Detta upprepas för varje temperatursteg efter att provtemperaturen har stabiliserats och blixtlampan avfyras också flera gånger under några minuter.

Förberedelsen av proverna är mycket viktig och förklaras i detalj här.

Efter att proverna laddats startas mätningen med hjälp av de villkor som sammanfattas i följande tabell:

Tabell 1: Mätförhållanden

Hur kopparsfärer påverkar värmediffusiviteten

ProgramvaranNETZSCH Proteus^® anpassar automatiskt en lämplig modell till mätdata för att möjliggöra beräkning av halveringstiderna, figur 1.

Figur 2 visar den analyserade termiska diffusiviteten som en funktion av temperatur och provorientering för ren PA12 i jämförelse med blandningarna PA12/kopparsfärer.

Som väntat uppvisar de rena PA12-proverna ingen riktning och värdena för Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet är lägst. De uppvisar den typiska minskningen med ökande temperatur upp till smälttemperaturen.

Proverna med 5 volymprocent Cu-sfärer visar något högre värden för den termiska diffusiviteten än ren PA12 och proverna med 10 volymprocent Cu-sfärer visar de högsta värdena av de tre materialen. Detta är ett resultat av den högre termiska diffusiviteten hos kopparn jämfört med den isolerande matrisen. För de flesta prover observeras ingen riktning på grund av sfärernas isotropiska egenskaper. För provet med 10 vol% Cu-sfärer i tjockleksriktningen z är dock den termiska diffusiviteten något lägre än för de andra två riktningarna. Detta är sannolikt relaterat till den högre porositeten i dessa prover, vilket uppmättes av Lanzl et al [1]. LFA-resultaten indikerar högre porositet mellan skikt i z-riktningen än inom ett skikt i xy-planet.

Hur kopparflak påverkar den termiska diffusiviteten

Ett annat beteende observeras med kopparflaken, vilket visas i figur 3, där mätningarna av den termiska diffusiviteten för alla prover i x-riktningen och för flaken i alla tre riktningarna jämförs.

Flingorna uppvisar mycket högre värden för den termiska diffusiviteten än de andra blandningarna med sfärer och den rena PA12. Den höga graden av anisotropi är förväntad baserat på fyllmedlets 2D-karaktär. Den högsta termiska diffusiviteten uppmäts i y-riktningen följt av x-riktningen. De lägsta värdena uppnås genom tjockleken på ett lager i z-riktningen. Detta indikerar en högre preferensorientering i xy-planet, vilket sannolikt beror på pulverappliceringsprocessen.

Figur 4 visar en mikroskopbild av tvärsnittet av ett enda lager av PA12/Cu-flingblandningen enligt Lanzl et al [1]. Bilden visar att partiklarna rör vid varandra och därför bör materialets totala termiska motstånd (eller här tvärsnitt) minimeras. Majoriteten av fyllmedlen är orienterade horisontellt, vilket motsvarar xy-planet. Man kan dock se att vissa flingor lutar i en vinkel, vilket resulterar i en högre Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet i z-riktningen jämfört med alla andra prover.

Mätningar av Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet ger en betydande inblick i både fyllmedlens orientering och deras närhet till varandra utan behov av ytterligare optisk avbildning.

Hur man bestämmer värmeledningsförmågan

För vidare analys eller simulering behövs förutom värmediffusiviteten, a, även värmeledningsförmågan, l. För att beräkna värmeledningsförmågan krävs 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}, och densiteten, r:

λ(T)=a(T)_{∙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}(T)∙ρ(T)

Både den termiska diffusiviteten och den specifika värmekapaciteten mäts som en funktion av temperaturen. Mätningen och resultaten av _{cp-mätningarna} förklaras här. För densiteten krävs dock att densiteten vid rumstemperatur samt den termiska expansionskoefficienten återanvänds för det undersökta temperaturområdet:

ρ(T)_=ρRT∙αv(T)

Densiteten vid rumstemperatur uppmättes med flytkraft-flotationsmetoden med vatten, den termiska expansionskoefficienten, α, uppmättes med en termomekanisk analysator (TMA), som kommer att förklaras i en senare artikel. Expansionskoefficienten är riktningsberoende och beräknas, den beräknas enligt följande

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

Högre kopparhalt = högre värmeledningsförmåga

De beräknade värdena för värmeledningsförmågan visas i figur 6 som en funktion av temperaturen för de olika materialen och blandningarna.

Samma trender som för den termiska diffusiviteten observeras:

• Med ökande kopparhalt ökar värmeledningsförmågan.
• Cu-sfärerna uppvisar huvudsakligen isotropiskt beteende. Skillnader i värdena är relaterade till porositeten i proverna.
• Kopparflagorna uppvisar den högsta ökningen av värmeledningsförmågan eftersom fyllmedlen delvis berör och minskar kompositmaterialets ledningsmotstånd.
• Kopparflagorna uppvisar ett anisotropiskt beteende på grund av sin 2D-geometri och pulverappliceringsprocessen.

Det minskade temperaturberoendet och den svaga krökningen vid låga temperaturer är dock relaterade till _{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-värdenas} temperaturberoende.

Optimering av processinställningar baserat på analysresultat

För att kunna använda sådana ledande fyllmedel för termisk hantering är det viktigt att justera orienteringen av de 3D-utskrivna delarna för att ta hänsyn till eventuell anisotropi som beror på beläggningsprocessen och fyllmedlets geometri.

När det gäller processinställningarna, och i synnerhet tillverkningstemperaturen, observerades att blandningen av flingor behövde bearbetas vid en tillverkningstemperatur på 173°C, vilket var 6°C högre än blandningarna med sfärer. Den högre värmeledningsförmågan och den lägre specifika värmen leder båda till en minskad förmåga att lagra värme i blandningen och bättre avledning av värmen. Speciellt i xy-planet, där de högsta konduktiviteterna med Cu-flingor erhölls, kan man förvänta sig att energitillförseln från lasern fördelas snabbare, vilket leder till en lägre temperatur. Genom att öka byggtemperaturen motverkas således denna effekt.

För att bättre förstå hur de olika fyllnadsformerna påverkar energitillförseln analyserade Lanzl et al. tjockleken på ett enda skikt. Det visade sig att skikttjockleken för blandningen med Cu-flingor är betydligt tunnare. Forskarna hänförde detta till den ökade värmeledningsförmågan i xy-planet jämfört med tjockleksriktningen och även till den ökade diffusa reflektionen av lasern, vilket resulterar i lägre energitillförsel. Denna ytterligare analys belyser vikten av att förstå förändringarna i Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet och konduktivitet för alla aspekter av SLS-processen och de mest lämpliga processinställningarna.

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., Selektiv lasersintring av kopparfylld polyamid 12: Karakterisering av pulveregenskaper och processbeteende, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: Selektiv lasersintring av kopparfylld polyamid 12: Karakterisering av pulveregenskaper och processbeteende - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library