Varför effekten av anisotropiska fyllmedel på termisk expansion är processberoende

Hur anisotropiska fyllmedel anpassas vid additiv tillverkning

I den additiva tillverkningsprocessen Selective Laser Sintering (SLS) sker ingen flödesprocess av smältan, utan av pulvret. Detta flöde av pulver under beläggningsprocessen riktar in anisotropa fyllmedel med pulverflödets riktning, vilket vanligtvis betecknas som x-riktning. När det gäller fibrer betyder det att de flesta fibrerna är inriktade i x-riktningen, vissa kan bli inriktade i y-riktningen och mycket lite kan bli orienterade i z-riktningen. När det gäller flingor är de jämnt fördelade i xy-planet och endast ett fåtal kan komma att orienteras i tjockleksriktningen, z. Denna effekt skiljer sig från t.ex. formsprutning och kan studeras och bekräftas med hjälp av optisk avbildning eller indirekta mätningar som värmeutvidgningskoefficienten (Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE) eller (α).

Bestämning av fiberorienteringen hos kopparsfärer och kopparflak med termisk analys

För analysen användes prover från en studie [1] från Institute of Plastics Technology (LKT) vid University of Erlangen-Nuremberg.

Forskarna tillverkade olika blandningar av PA12-pulver med isotropa kopparsfärer och anisotropa flingor i varierande halter (5 och 10 vol% kopparsfärer och 5 vol% kopparflingor) för att studera deras lämplighet för att öka materialets 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. På NETZSCH Analyzing & Testing analyserades alla prover med hjälp av NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. För bestämning av värmeutvidgningskoefficienten (Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE) skars prover från hundbensprover i tre olika riktningar, figur 1, x- och y-riktning: 10x5x4,5 ^mm3, z-riktning: 4.5x5x5 ^mm3.

Illustration av en provkropp för analys av termisk expansion, som visar dimensioner och axlar för pulverbeläggning vid additiv tillverkning.

Den termiska expansionen mättes i ett intervall från -20 till 170 ºC med en uppvärmningshastighet på 5 K/min. Alla mätförhållanden sammanfattas i följande tabell:

Tabell 1: Mätförhållanden

Provhållare	Expansion, tillverkad av _SiO2
Belastning på provet	50 mN
Atmosfär	Atmosfär
Flödeshastighet för gas	50 ml/min
Temperaturområde	-20...170°C vid en uppvärmningshastighet på 5 K/min

Jämförelse mellan ofyllt och fyllt PA12-pulver

Figur 2 visar resultaten för den ofyllda PA12 och blandningen med isotropa fyllmedel.

Uppmätt termisk expansion av PA12 med 5 vol% Cu-sfärer jämfört med ofylld PA12, vilket visar riktningsberoende längdförändringar. — Figur 2: Uppmätt längdförändring som en funktion av temperaturen för det rena PA12-provet i jämförelse med provet med 5 volymprocent Cu-sfärer i 3 olika riktningar

Man kan se att den termiska expansionen är mindre för det fyllda systemet än för det ofyllda systemet, trots att volyminnehållet på 5 vol% är ganska small.

När vi jämför de olika riktningarna ser vi att den termiska expansionen i tjockleksriktningen är lägre för båda materialen. Skillnaden är dock ännu större för det kopparfyllda provet. Detta kan förklaras med att stelningen och partikeladhesionen inom ett skikt (i xy-planet) skiljer sig från adhesionen mellan skikten. Detta observeras vanligtvis genom förändringar i de mekaniska egenskaperna, men observerades också av Lanzl et al [1] som en förändring i porositet. Eftersom forskarna fann att porositeten är högre i de kopparfyllda kompositerna förklarar det också den större skillnaden mellan z- och xy-riktningen. Samma effekt observerades med glaspärlor som isotropiska fyllmedel.

Jämförelse av olika volyminnehåll av Cu-sfärer

Jämförelsen mellan de olika volyminnehållen av Cu-sfärer visas i figur 3. Det finns ingen signifikant förändring observerad mellan proverna.

HFM 446 från Netzsch, en kompakt analysator för värmeledningsförmåga, har digital display och pappersutgång. — Figur 3: Uppmätt längdförändring som en funktion av temperaturen för de två proverna med 5 och 10 vol% Cu-sfärer i 3 olika riktningar

Jämförelse av olika kopparformer

Jämförelsen av olika kopparformer vid samma volyminnehåll av 5 vol% fyllnadsmaterial visas i figur 4.

Uppmätt längdförändring av PA12 med 5 volymprocent kopparsfärer jämfört med flingor i tre riktningar, vilket illustrerar värmeutvidgningsbeteendet. — Figur 4: Uppmätt längdförändring som en funktion av temperaturen för proverna med 5 vol% Cu-sfärer respektive flingor i 3 olika riktningar

Vid samma volyminnehåll blir riktningen ganska tydlig. Cu-sfärerna uppvisar ett isotropiskt beteende. I jämförelse sänker flingorna Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE i x- och y-riktningen och ökar den i z-riktningen. Orsaken är att fyllmedlen är i linje med varandra. Under beläggningsprocessen riktas flingorna in i xy-planet och har därmed den mest uttalade effekten i dessa riktningar. De korsar dock inte över till angränsande lager eller visar en tillräckligt signifikant inriktning i z-riktningen för att ge ett stort bidrag till den termiska expansionen. Värdet på Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE i tjockleksriktningen är nästan detsamma som för matrismaterialet PA12. Som tidigare förklarats är detta beteende en direkt följd av bearbetningen och anpassningen av fyllmedel på grund av detta.

Bättre jämförelse med den termiska volymutvidgningskoefficienten

För att jämföra de två materialen måste man ta hänsyn till den termiska volymutvidgningskoefficienten. Eftersom båda proverna har samma kopparhalt på 5 volymprocent bör volym-Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE vara ungefär densamma.

För isotropa material beräknas volym-Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE som _αv = 3 _αl eller _αv = 3 _αx

För anisotropa material ges _αv av _αv = (_αx + _αy + _αz)

Med hjälp av de data som uppmätts här är _αv för kompositen med Cu-sfärer 482,^0×10-6 1/K och _αv för kompositen med Cu-flingor 464,^2×10-6 1/K, vilket visar att det totala fyllmedelsinnehållet har störst inverkan, men fördelningen av termisk expansion i olika riktningar påverkas starkt av fyllmedlets form.

Detektering av anisotropiskt materialbeteende med LFA

En annan termisk analysmetod som är användbar för att upptäcka anisotropiskt materialbeteende och för att förstå deras effektivitet för applikationer inom termisk hantering är Laser Flash Analysis (LFA) för att mäta den termiska diffusiviteten. Läs i artiklarna vilka förändringar som upptäcks i PA12-delar med kopparsfärer och -flingor som fyllmedel och hur 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, 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 och Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE används för att beräkna värmeledningsförmågan.

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 också med tvärvetenskapliga ämnen som blandning av fyllnadsmaterial, simulering av bearbetning och tillämpningar, strålningskorsbundna termoplaster, skonsam bearbetning och mycket mer.

Läs också: https://ta-NETZSCH.com/hurfungerar-selektiv-laser-sintering-sls-arbete

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: Selektiv lasersintring av kopparfylld polyamid 12: Karakterisering av pulveregenskaper och processbeteende - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Library