كيف تزيد الحشوات من السلوك المتساوي الخواص أو المتباين الخواص لأجزاء SLS من خلال محاذاة هذه الأجزاء

تنكمش البوليمرات. يحدث معظم الانكماش أثناء خطوة التبريد في معالجة البوليمر. وتتمثل إحدى طرق تقليل الانكماش في إضافة مواد مالئة. تمت مناقشة المزايا في مقال سابق.

تؤدي إضافة الحشوات إلى زيادة الأداء الميكانيكي. وفي حين أن هناك حاجة إلى طول حرج للحشوات ليكون لها تأثير على قوة المكونات، فإن الصلابة تزداد بالفعل مع الحشوات ذات نسب العرض إلى الارتفاع الصغيرة. في دراسة أجراها معهد تكنولوجيا البوليمرات في جامعة إرلانجن-نورمبرج [1]، تم خلط الحشوات النحاسية الموصلة حراريًا مع مسحوق PA12 بمحتويات حجمية متفاوتة لتقييم التغير في الخصائص والأداء.

تحليل التغيرات في الصلابة باستخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي

ولفهم كيفية تغير الصلابة أو المعامل كدالة لهندسة الحشو ومحتوى الحشو، يمكن استخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA ). في شركة NETZSCH للتحليل والاختبار، تم تحليل العينات غير المملوءة وكذلك العينات المملوءة بكرات النحاس (5 و10% من الحجم) ورقائق النحاس (5% من الحجم) باستخدام جهاز التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA 242 E Artemis) من NETZSCH.

تحضير العينة وظروف القياس

تم قطع عينات مقاس 50 مم × 10 مم × 4.5 مم من عينات عظام الكلاب. يجب توخي عناية خاصة للتأكد من أن سمك العينة موحد لأن طريقة القياس هذه حساسة جدًا لأي انحرافات. في عملية SLS، على سبيل المثال، يمكن أن يحدث نمو جانبي للأجزاء عندما يكون الذوبان داخل طبقة المسحوق ساخنًا جدًا بحيث تبدأ الجسيمات الصلبة في التلبيد على السطح. لم يتم ملاحظة ذلك في هذه العينات وبالتالي لم تكن هناك حاجة إلى معالجات سطحية إضافية.

بالنسبة للقياس، تم تحميل العينات بعد ذلك في أداة التثبيت المرنة بعرض 40 مم. بعد خطوة تبريد ومعايرة أولية، تم تسخين العينات من -50 درجة مئوية إلى 180 درجة مئوية عند 2 كلفن/دقيقة، وهي أقل بقليل من درجة حرارة انصهار المادة وتغطي جميع ظروف الخدمة الممكنة. يتم تلخيص جميع ظروف القياس في الجدول التالي:

الجدول 1: شروط القياس

تأثير الحشوات النحاسية على معامل التخزين

يمكن الاطلاع على نتائج PA12 الأنيق وتأثيرها على التواء أجزاء SLS هنا.

يوضِّح الرسم البياني في الشكل 1 منحنى معامل التخزين E' للمادة PA12 الأنيقة وكذلك العينات التي تحتوي على كريات نحاسية بنسبة 5 و10% من الكريات النحاسية و5% من رقائق النحاس. يمكن ملاحظة أن السلوك العام لجميع العينات متشابه للغاية. وعلاوة على ذلك، فإن بداية انخفاض المعامل عند الانتقال الزجاجي وعند الذوبان يحدث في نطاقات درجة حرارة ضيقة تبلغ درجتين مئويتين و4 درجات مئوية على التوالي.

وبالنظر إلى قيم المعامل للعينات المختلفة تُظهر - كما هو متوقع - أدنى القيم في PA12 الأنيق (على سبيل المثال، 1480 ميجا باسكال عند 27.5 درجة مئوية و135 ميجا باسكال عند 167.7 درجة مئوية). يُظهر معامل العينات المملوءة بكريات النحاس بنسبة 5 فولت من النحاس قيمًا أعلى قليلًا. ولوحظت زيادة كبيرة مع كريات النحاس بنسبة 10 فولت من النحاس، مما يدل على أنه حتى الحشوات ذات نسبة العرض إلى الارتفاع = 1 يمكن أن تزيد من صلابة المادة عند استخدام محتوى حشو مرتفع بما فيه الكفاية. ومع ذلك، يمكن ملاحظة أن أعلى قيم المعامل يتم الحصول عليها مع رقائق النحاس بنسبة 5 فولت (على سبيل المثال، 2278 ميجا باسكال عند 26.7 درجة مئوية). يكون هذا المعامل عند بداية الانتقال الزجاجي أعلى بنسبة 54% مع الرقائق مقارنةً بالمادة PA12 الأنيقة. يمكن تفسير ذلك من خلال الاتجاه السائد للرقائق في المستوى xy، والذي يتماشى مع محور الاختبار في تركيبات الانثناء. تم عرض الاتجاه السائد للرقائق وتحليله في هذه المقالة.

تأثير الحشوات النحاسية على معامل الفقد و tan δ

يوضح الشكل 2 نتائج معامل الفقد E" و tan δ لنفس العينات كما هو موضح في الشكل 1.

تُظهر هذه النتائج أيضًا أن الحدود القصوى المميزة مستقلة عن اختلافات العينة التي تم فحصها.

كيفية تعديل أداء المواد بنجاح

تؤكد القياسات أن صلابة أجزاء SLS تزداد بإضافة مواد الحشو بغض النظر عن نسبة أبعادها. ويتضح كذلك أنه بالنسبة للمواد المالئة ذات نسب العرض إلى الارتفاع مثل رقائق النحاس، يمكن أن يكون لمحتويات الحشو الصغيرة تأثير كبير مثل زيادة المعامل بنسبة 54%. يمكن استخدام ذلك لتعديل أداء المادة دون تغيير أداء المادة دون تغييرها إلى بوليمر جديد تمامًا، والذي قد يكون من الصعب معالجته في عملية SLS.

نبذة عن معهد تكنولوجيا البوليمرات (LKT)

معهد تكنولوجيا البوليمرات هو معهد أبحاث أكاديمي في جامعة فريدريش ألكسندر في إرلانجن-نورمبرج. وهو أحد الرواد في مجال أبحاث التصنيع المضاف؛ خاصةً SLS. وتشمل المجالات البحثية الرئيسية الأخرى التصميم خفيف الوزن والبلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية والمواد والمعالجة وتكنولوجيا الالتحام وعلم الترايبولوجي. بالإضافة إلى هذه المجالات البحثية، يعمل المعهد أيضاً على موضوعات متعددة التخصصات مثل تركيب مواد الحشو ومحاكاة المعالجة والتطبيقات واللدائن الحرارية المتقاطعة بالإشعاع والمعالجة اللطيفة وغيرها الكثير.

المصادر

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., التلبيد الانتقائي بالليزر للبولي أميد المملوء بالنحاس 12: توصيف خصائص المسحوق وسلوك العملية، مركبات البوليمر، ص 1801-1809، 2019