Termal Difüzivite SLS Sürecinde Yapı Sıcaklığını Nasıl Etkiler?

Önceki bir makalede, PA12 tozlarına iletken dolgu maddeleri ekleme ve SelectiveLazer Sinterleme (SLS) işlemi ile termal yönetim için karmaşık bileşenler oluşturma motivasyonunu açıklamıştık. Ayrıca, sonuçların kalitesi için çok önemli olan numune hazırlamanın farklı adımlarını da açıklamıştık.

Farklı toz karışımları için farklı baskı sıcaklıkları

Örnekler, Erlangen-Nürnberg Üniversitesi Polimer Teknolojisi Enstitüsü'nde (LKT) researctarafından yapılan bir çalışmanın [1] parçası olarak hazırlanmıştır. Farklı içeriklerde bakır küreler ve pulların farklı karışımlarını kullandılar: 5 ve %10 bakır küreler ve %5 bakır pullar. Dolgu maddeleri nedeniyle proses davranışında meydana gelen değişiklikleri tespit etmek için 0,043 ^J/mm2 enerji yoğunluğu tüm malzemeler için sabit tutulmuştur. PA12/Cu kürecik tozu için 167°C'lik bir yapı sıcaklığı deneysel olarak belirlenmiştir. PA12/Cu pul karışımı için yapım sıcaklığının 173°C'ye yükseltilmesi gerekmiştir. Bunun nedeninin daha yüksek Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik ve daha düşük özgül ısı kapasitesi olabileceği varsayılmıştır. Bu nedenle, aşağıdaki analiz bu etkileri ayrıntılı olarak araştırmak için kullanılabilir.

Termal difüzivite nasıl analiz edilir

NETZSCH Analyzing & Testing'de, bakır partikülleri içeren bu farklı PA12 tozu karışımlarının termal difüzivitesini saf PA12 malzemesine kıyasla ölçmek için bir LFA 467 Hyperflash kullanılmıştır.

Kısa bir ışık darbesi numunenin alt yüzeyini ısıtır ve arka yüzeydeki sıcaklık artışı bir IR dedektörü kullanılarak zamanın bir fonksiyonu olarak ölçülür.

Numune sıcaklığı stabilize edildikten sonra bu işlem her sıcaklık adımı için tekrarlanır ve flaş lambası da birkaç dakika boyunca birkaç kez ateşlenir.

Numunelerin hazırlanması çok önemlidir ve burada ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Numuneler yüklendikten sonra aşağıdaki tabloda özetlenen koşullar kullanılarak ölçüm başlatılır:

Tablo 1: Ölçüm koşulları

Bakır küreler termal difüziviteyi nasıl etkiler?

NETZSCH Proteus^® yazılımı, yarı zamanların hesaplanmasını sağlamak için ölçülen verilere uygun bir modeli otomatik olarak uyarlar, Şekil 1.

Şekil 2, PA12/bakır küre karışımlarına kıyasla saf PA12 için sıcaklık ve numune yöneliminin bir fonksiyonu olarak analiz edilen termal difüziviteyi göstermektedir.

Beklendiği gibi, saf PA12 numuneleri yönlülük göstermez ve Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite değerleri en düşüktür. Erime sıcaklığına kadar artan sıcaklıkla birlikte tipik bir düşüş gösterirler.

5 hacim Cu küreleri içeren numuneler, Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite için saf PA12'den biraz daha yüksek değerler gösterirken, %10 hacim Cu küreleri içeren numuneler üç malzeme arasında en yüksek değerleri göstermektedir. Bu, bakırın yalıtkan matrise kıyasla daha yüksek termal difüzivitesinin bir sonucudur. Çoğu numune için, kürelerin izotropik özelliklerinden dolayı herhangi bir yönlülük gözlenmemektedir. Bununla birlikte, z kalınlık yönünde %10 hacimli Cu küreleri içeren numune için Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite diğer iki yöne göre biraz daha düşüktür. Bu muhtemelen Lanzl ve arkadaşları [1] tarafından ölçülen bu numunelerin daha yüksek gözenekliliğiyle ilgilidir. LFA sonuçları, z yönündeki katmanlar arasında xy düzlemindeki bir katman içinde olduğundan daha yüksek gözeneklilik olduğunu göstermektedir.

Bakır pullar termal difüziviteyi nasıl etkiler?

Şekil 3'te gösterildiği gibi bakır pullarında farklı bir davranış gözlenmektedir; burada x yönündeki tüm numunelerin ve pulların her üç yöndeki Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite ölçümleri karşılaştırılmaktadır.

Pullar, Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite için diğer küreli karışımlardan ve saf PA12'den çok daha yüksek değerler göstermektedir. Dolgu maddesinin 2D karakterine bağlı olarak yüksek derecede anizotropi beklenmektedir. En yüksek termal difüzivite y yönünde ölçülmüştür ve bunu x yönü takip etmektedir. En düşük değerler, z yönündeki bir katmanın kalınlığı boyunca elde edilir. Bu da xy düzleminde daha yüksek bir tercihli yönelim olduğunu göstermektedir ki bu da muhtemelen toz uygulama sürecinden kaynaklanmaktadır.

Şekil 4, Lanzl ve arkadaşları [1] tarafından bildirildiği gibi PA12/Cu pul karışımının tek bir katmanının enine kesitinin mikroskopi görüntüsünü göstermektedir. Görüntü, parçacıkların birbirine temas ettiğini ve bu nedenle malzemenin (veya burada kesitin) genel termal direncinin en aza indirilmesi gerektiğini göstermektedir. Dolgu maddelerinin çoğunluğu yatay olarak yönlendirilmiştir, bu da xy düzlemine karşılık gelir. Bununla birlikte, bazı pulların bir açıyla eğildiği görülebilir, bu da diğer tüm örneklere kıyasla z yönünde daha yüksek termal difüzivite ile sonuçlanır.

Termal difüzivite ölçümleri, ek optik görüntülemeye gerek kalmadan hem dolgu maddelerinin yönü hem de birbirlerine olan yakınlıkları hakkında önemli bilgiler sağlar.

Termal iletkenlik nasıl belirlenir

Daha fazla analiz veya simülasyon için, termal difüzivite, a'ya ek olarak, termal iletkenlik, l, gereklidir. Termal iletkenliği hesaplamak için özgül ısı kapasitesi, _{Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp} ve YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk, r gereklidir:

λ(T)=a(T)_{∙Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp}(T)∙ρ(T)

Hem termal difüzivite hem de özgül ısı kapasitesi sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ölçülür. _Cpölçümlerinin ölçüm ve sonuçları burada açıklanmıştır. Bununla birlikte, YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk, oda sıcaklığındaki yoğunluğun yanı sıra incelenen sıcaklık aralığı için termal genleşme katsayısının yeniden kullanılmasını gerektirir:

ρ(T)_=ρRT∙αv(T)

Oda sıcaklığındaki YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk, su ile kaldırma kuvveti-flotasyon yöntemi ile ölçülmüştür, termal genleşme katsayısı, α, daha sonraki bir makalede açıklanacak olan bir Termomekanik Analiz Cihazı (TMA) ile ölçülmüştür. Genleşme katsayısı yöne bağlıdır ve aşağıdaki gibi hesaplanır

_αv = (_αx + _αy + _αz)/3

Daha yüksek bakır içeriği = Daha yüksek termal iletkenlik

Elde edilen hesaplanmış Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik değerleri, farklı malzemeler ve karışımlar için sıcaklığın bir fonksiyonu olarak Şekil 6'da çizilmiştir.

Termal difüzivite için görülen eğilimlerin aynısı gözlenmektedir:

• Artan bakır içeriği ile Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik artmaktadır.
• Cu küreleri esas olarak izotropik davranış göstermektedir. Değerlerdeki farklılıklar numunelerin gözenekliliği ile ilgilidir.
• Bakır pullar, dolgu maddeleri kısmen temas ettiği ve kompozit malzemenin iletkenlik direncini azalttığı için termal iletkenlikte en yüksek artışı göstermektedir.
• Bakır pullar, 2D geometrileri ve toz uygulama süreci nedeniyle anizotropik davranış göstermektedir.

Bununla birlikte, düşük sıcaklıklardaki hafif eğriliğin yanı sıra azaltılmış sıcaklık bağımlılığı, _{Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp} değerlerinin sıcaklığa bağımlılığı ile ilgilidir.

Analiz sonuçlarına göre süreç ayarlarının optimize edilmesi

Bu tür iletken dolgu maddelerinin termal yönetimde uygulanması için, kaplama işlemi ve dolgu maddesi geometrisinden kaynaklanan herhangi bir anizotropiyi hesaba katmak için 3D baskılı parçaların yönünü ayarlamak önemlidir.

Proses ayarları ve özellikle yapı sıcaklığı ile ilgili olarak, pul karışımının 173°C'lik bir yapı sıcaklığında işlenmesi gerektiği gözlemlenmiştir; bu sıcaklık, küreli karışımlardan 6°C daha yüksektir. Daha yüksek Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik ve daha düşük özgül ısı, bileşikte ısı depolama kabiliyetinin azalmasına ve ısının daha iyi boşaltılmasına yol açmaktadır. Özellikle Cu pulları ile en yüksek iletkenliklerin elde edildiği xy-düzleminde, lazerden gelen enerji girişinin daha hızlı dağılması ve daha düşük bir sıcaklığa yol açması beklenir. Bu nedenle, yapı sıcaklığının arttırılması bu etkiye karşı koymaktadır.

Farklı dolgu şekillerinin enerji girişi üzerindeki etkisini daha iyi anlamak için Lanzl ve arkadaşları tek bir katmanın kalınlığını analiz etmiştir. Cu pulları içeren karışımın tabaka kalınlığının önemli ölçüde daha ince olduğu bulunmuştur.arcBu durumu, kalınlık yönüne kıyasla xy düzleminde artan termal iletkenliğe ve ayrıca daha düşük enerji girdisi ile sonuçlanan lazerin artan dağınık yansımasına bağlamışlardır. Bu ek analiz, SLS sürecinin tüm yönleri ve en uygun süreç ayarları için termal difüzivite ve iletkenlikteki değişiklikleri anlamanın önemini vurgulamaktadır.

Polimer Teknolojisi Enstitüsü (LKT) Hakkında

arcPolimer Teknolojisi Enstitüsü, Erlangen-Nürnberg Friedrich-Alexander Üniversitesi'ne bağlı akademik bir enstitüdür.arcKatmanlı Üretim alanında liderlerden biridir; özellikle SLS.arcDiğer ana araştırma alanları arasında Hafif Tasarım ve FRP, Malzemeler ve İşleme, Birleştirme Teknolojisi ve Triboloji yer almaktadır. Bu araştırmaarch odaklarına ek olarak, enstitü ayrıca Dolgu Malzemesi Bileşimi, İşleme ve Uygulamaların Simülasyonu, Radyasyon Çapraz Bağlı Termoplastikler, Nazik İşleme ve daha birçok disiplinler arası konu üzerinde çalışmaktadır.

Kaynaklar

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., SelectBakır Dolgulu Poliamid 12'nin Lazerle Sinterlenmesi: Toz Özelliklerinin ve Proses Davranışının Karakterizasyonu, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: SelectBakır dolgulu poliamid 12'nin lazerle sinterlenmesi: Toz özelliklerinin ve proses davranışının karakterizasyonu - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Libra^® ry