Heat transfer in selective laser sintering of polyamide powders

Selective Laser Sintering (SLS) is a type of Laser Powder bed fusion (LPBF) and is a layer-wise Additive Manufacturing (AM) process, with which a complex geometry can be manufactured using granular materials. The complex laser-material interaction and the knowledge of associated process parameters is a challenge in the modelling of the SLS process which in turn helps in the standardization of the process. The knowledge of the temperature field in the powder bed is vital in understanding the powder binding mechanism. One of the major defects of the SLS produced parts is the delamination between the layers which is due to lack of fusion. In this study, a stationary laser sintering experimental set-up equipped with two infrared cameras is built to measure the temperature distribution along the depth and the top surface. A thin layer of polymeric powder is spread on infrared-transparent Zinc Selenide (ZnSe) glass so one of the thermal cameras can see the heat transfer along the depth from the bottom. A carbon black treated polyamide 12 (PA12 CB) powder of average particle size distribution of 60μm and PA6 CB of average particle size distribution of 80μm are used in this study. The experiments were conducted by heating the sample for 10 s and allowing it to cool down. A three-dimensional finite element model considering conductive, convective, radiative heat transfer and phase change is developed to accompany the experimental data. As a first, a temperature-dependent emissivity is considered in the model. A statistical examination using the Design of Experiments (DoE) method was performed to evaluate the uncertain material properties such as thermal conductivity and laser absorptivity and their effect on the timedependent temperature evolution in the powder bed. The accuracy of the model is validated by comparing the temperature data along xyz directions with the experimental values. The PA6 CB powder exhibits higher laser absorption and higher thermal conductivity than PA12 CB. This is evident from the rapid heating of PA6 CB due to higher laser absorption and faster cooling rate due to higher thermal conductivity. The emissivity of the powder bed is nearly uniform with temperature for both powders and drastically increases at melt pool. This change in emissivity is captured in the model. As an add on to the project, heat transfer in electrostatic powder coating is studied. A Finite elements based model is developed with infrared heat input model. The model helps in understanding the temperature reached during infrared heating and subsequently, to know the ideal power required for the heater.

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è un tipo di fusione laser a letto di polvere (LPBF) ed è un processo di fabbricazione additiva (AM) a strati, con il quale è possibile produrre una geometria complessa utilizzando materiali granulari. La complessa interazione laser-materiale e la conoscenza dei parametri di processo associati rappresentano una sfida nella modellazione del processo SLS, che a sua volta contribuisce alla standardizzazione del processo. La conoscenza del campo di temperatura nel letto di polvere è fondamentale per comprendere il meccanismo di legame della polvere. Uno dei principali difetti dei pezzi prodotti con SLS è la delaminazione tra gli strati, dovuta alla mancanza di fusione. In questo studio, è stato costruito un set sperimentale di sinterizzazione laser stazionario dotato di due telecamere a infrarossi per misurare la distribuzione della temperatura lungo la profondità e la superficie superiore. Un sottile strato di polvere polimerica viene steso su un vetro al seleniuro di zinco (ZnSe) trasparente agli infrarossi, in modo che una delle termocamere possa vedere il trasferimento di calore dal basso verso l'alto. In questo studio è stata utilizzata una polvere di poliammide 12 (PA12 CB) trattata con nerofumo con una distribuzione granulometrica media di 60μm e PA6 CB con una distribuzione granulometrica media di 80μm. Gli esperimenti sono stati condotti riscaldando il campione per 10 s e lasciandolo raffreddare. Per accompagnare i dati sperimentali è stato sviluppato un modello tridimensionale agli elementi finiti che considera il trasferimento di calore conduttivo, convettivo e radiativo e il cambiamento di fase. Come prima cosa, nel modello viene considerata un'emissività dipendente dalla temperatura. È stato eseguito un esame statistico con il metodo Design of Experiments (DoE) per valutare le proprietà incerte del materiale, come la conduttività termica e l'assorbenza laser, e il loro effetto sull'evoluzione della temperatura in funzione del tempo nel letto di polvere. L'accuratezza del modello è stata convalidata confrontando i dati di temperatura lungo le direzioni xyz con i valori sperimentali. La polvere di PA6 CB mostra un maggiore assorbimento laser e una maggiore conduttività termica rispetto alla PA12 CB. Ciò è evidente dal rapido riscaldamento della PA6 CB dovuto al maggiore assorbimento laser e dal più rapido raffreddamento dovuto alla maggiore conduttività termica. L'emissività del letto di polvere è quasi uniforme con la temperatura per entrambe le polveri e aumenta drasticamente in corrispondenza del bagno di fusione. Questo cambiamento nell'emissività viene catturato nel modello. Come aggiunta al progetto, è stato studiato il trasferimento di calore nel rivestimento elettrostatico in polvere. È stato sviluppato un modello basato sugli elementi finiti con un modello di input di calore a infrarossi. Il modello aiuta a comprendere la temperatura raggiunta durante il riscaldamento a infrarossi e, di conseguenza, a conoscere la potenza ideale necessaria per il riscaldatore.