选择性激光烧结(SLS):热扩散率对烧结温度的影响

聚合物粉末的导电填料，如铜球和薄片，影响添加剂制造方法。激光闪光分析使得能够识别过程设置以打印最佳质量部件。

图片来源:NETZSCH-Gerätebau GmbH

先前的文章详细介绍了将导电填料添加到PA12粉末的动机，并为热管理生产复杂的组件选择性激光烧结（SLS）工艺．

还概述了样品制剂的各种步骤，这对于结果的质量至关重要。

不同粉末混合物的打印温度不同

聚合物技术研究所（LKT）研究人员在埃尔兰堡大学 - 纽伦堡大学，作为研究的一部分准备了样品。^［1］在那里，他们利用了不同含量的铜球和薄片的不同混合物:5和10体积%的铜球和5体积%的铜薄片。

能量密度为0.043 J/mm²对所有材料保持恒定，以识别填料导致的过程行为的任何变亚博网站下载化。PA12/Cu微球粉末的实验生成温度为167°C。

对于PA12/Cu薄片混合物，需要将生成温度提高到173°C。假设热导率的增加和比热容的降低可能是原因。因此，下面的分析可以用来彻底检验这些影响。

如何分析热扩散系数

美国NETZSCH分析与测试有限公司LFA 467 HyperFlash.^®用于评估PA12粉末各种混合物的热扩散性与铜颗粒相对于纯PP12材料。yabo214

短透光脉冲加热样品的底表面，并且使用IR检测器，作为时间的函数测量后表面上的温度的增加。

一旦样品温度稳定下来，每个温度步骤都要重复这个步骤，闪光灯也要在一段时间内点燃无数次。样品的制备是一个非常关键的因素，在这里详细说明。

在加载样本之后，测量在下表中概述的条件下启动：

表1。测量条件。资料来源：netzsch-gerätebaugmbh

．	．
样本持有人	z方向:12.7 mm正方形x和y方向:层压样品架12.7 mm
大气	N2
气流	100毫升/分钟
温度测量点	25,40,60,80,100,120,140,​​160,168,180°C

铜球如何影响热扩散率

netzsch.普罗透斯^®软件自动提供了一个合适的模型来测量数据，便于计算的半倍，图1。

图1所示。检测器信号在25°C时随时间变化的例子，用5体积%铜球样品的拟合曲线(红色)。图片来源:NETZSCH-Gerätebau GmbH

图2表现出作为纯PA12的温度和样品取向的函数的热扩散率如何与PA12 /铜球混合物相比，分析。

图2。在三个测量方向上热扩散率的温度依赖性：纯PA 12样品的比较和PA 12 / Cu球体混合物。图片来源:NETZSCH-Gerätebau GmbH

如预期的那样，整齐的PA12样品没有显示出方向性，并且热扩散值是最小的。它们显示一般减少随着温度的增加而达到熔化温度。

与纯PA12相比，具有5Vol％Cu球体的样品表现出适度增加的热扩散率值，并且具有10Vol％Cu球体的样品显示了三种材料的最大值。亚博网站下载

这是由于与绝缘基体相比，铜具有更高的热扩散率。对于大多数样品来说，由于球体的各向同性特性，没有方向性。

然而，与厚度方向Z中的10Vol％Cu球的样品相比，热扩散率与样品的其他两个方向相比略微下降。这可能是由于这些样品的孔隙率较大，其被Lanzl等人记录。^［1］

LFA结果在Z方向上的层之间的孔隙率比XY平面中的层在Z方向上的较高孔隙率。

铜薄片对热扩散率的影响

图3显示了对铜薄片不同行为的观察;在这里，对所有样品在x方向和薄片在所有三个方向的热扩散率测量进行了比较。

图3。在三个测量方向上热扩散率的温度依赖性：PA 12 / Cu薄片和各向同性材料的比较（蓝 - 仅X方向）。亚博网站下载图片来源:NETZSCH-Gerätebau GmbH

薄片对具有球形和整体PA12的其他混合物的热扩散性显示出更大的值。基于填料的2D特征预期高度各向异性。

热扩散率在y方向上最大，其次是x方向。通过在z方向上的一层厚度，得到最小值。这表明在xy平面有更高的优先取向，这可能是粉末应用过程的结果。

图4显示了Lanzl等人记录的PA12/Cu薄片混合物单层横截面的显微镜图像。^［1］图像显示颗粒彼此接触，这意味着材料的总热阻（或者，这里，横yabo214截面）应降低到最小值。

图4。单层PA12和5 Vol％铜薄片^［1］．图片来源:NETZSCH-Gerätebau GmbH

大多数填料水平对齐，涉及XY平面。然而，可以观察到一些薄片以一定角度倾斜，当与所有其他样品相比，这导致z方向上的较高的热扩散率。

热扩散率测量提供了相当多的见解，既填料的方向和他们的相互接近，而不需要额外的光学成像。

如何确定导热率

为了进一步调查或模拟，以及热扩散率（A），需要导热率（L）。为了计算导热系数，精确的热容量（C_p）也需要密度（R）：

λ(T) = a (T)∙c_p（t）∙ρ（t）

特定的热容量和热扩散率都被确定为温度的函数。C的测量和结果_p- - - - - -这里详述的测量。

然而，除了评估的温度范围的热膨胀系数之外，密度要求在室温下重用密度：

RT∙ρ(T) =ρα_v(T)

采用水性浮选方法用水，评估室温下的密度：使用热机械分析仪（TMA），测量热膨胀系数（α），这将在后面的制品中解释。

膨胀系数与方向有关，计算公式如下:

α_v=（α._x+α._y+α._z) / 3

铜含量越高=导热系数越高

图6展示了计算得到的导热系数值是如何作为各种材料和混合物的温度函数绘制的。亚博网站下载

图5。纯PA12和PA12/Cu混合物三方向热导率的温度依赖性。图片来源:NETZSCH-Gerätebau GmbH

看到与热扩散率相同的趋势：

• 热导率随铜含量的增加而增加。
• 铜球主要表现为各向同性行为。数值的差异与样品的孔隙率成正比。
• 当填料部分接触并限制复合材料的导电性电阻时，铜薄片表现出最大的热导率增加。
• 由于其2D几何和粉末施用过程，铜剥落显示各向异性行为。

然而，较低的温度依赖性以及在低温下的适度曲率与c的温度依赖性有关_p值。

基于分析结果优化流程设置

为了在热管理中施加这种导电填料，由于涂覆过程和填充物几何形状，修改3D印刷部件的位置以考虑任何各向异性至关重要。

关于过程设置，特别是构建温度，注意到需要在173℃的构建温度下加工薄片的混合物，其比带球体的混合物更6°C。

较高的导热系数和较低的比热极限都导致化合物的蓄热能力和散热能力的降低，特别是在xy平面，铜薄片的导电性最高。

预计从激光器输入的能量越快地分布，导致温度较低。因此，增加构建温度抵消了这种效果。为了更加了解各种填充物形状对能量输入的影响，Lanzl等人。检查单层的厚度。

结果表明，铜片混合料的层厚明显较薄。研究人员认为这是由于xy平面的热导率大于厚度方向和激光漫反射增加导致能量输入降低。

补充分析显示了了解热扩散性和导电性的变化是多么关键SLS过程同时也知道最合适的流程设置。

参考文献

1. Lanzl，L.，Wudy，K。，Greiner，S。，鼓手D.，铜填充聚酰胺的选择性激光烧结12：粉末性能和工艺行为的表征，聚合物复合材料，PP。1801-1809,2019：铜填充聚酰胺12的选择性激光烧结12：粉末性能和工艺行为的表征 - LANZL - 2019 - 聚合物复合材料 - Wiley在线图书馆

此信息已采购，从Netzsch-GerätebauGmbH提供的材料进行审核和调整。亚博网站下载

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