08.03.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Rüdiger Sehling
تقدير الضغوط المتبقية في أجزاء SLS باستخدام DMA
يُعد التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) أحد أكثر تقنيات التصنيع المضاف استخدامًا لإنتاج الأجزاء البلاستيكية الهيكلية. عند تشغيلها في درجة حرارة مرتفعة، يمكن أن تكون أي ضغوط متبقية ضارة بأداء الجزء. ومن أجل فهم الإجهادات المتبقية بشكل أفضل، هناك حاجة إلى معرفة معامل المادة. تعرف على المزيد حول الإجهاد المتبقي وكيفية قياس خاصية المادة باستخدام طريقة التحليل الحراري.
ولذلك، يجب أن تكون دقة أبعادها عالية لتتناسب بشكل جيد مع التجميعات الأكبر خلال فترة خدمتها. وعند تشغيلها في درجة حرارة مرتفعة، فإن أي إجهادات متبقية قد تكون ضارة بأداء الجزء. من أجل فهم أفضل للإجهادات المتبقية، هناك حاجة إلى معرفة معامل المادة.
عادةً ما يتم قياس معامل المواد بما في ذلك البوليمرات في الاختبارات الميكانيكية الساكنة، حيث يتم رسم سلوك الإجهاد والانفعال أثناء اختبار الشد ويتم حساب معامل يونج باعتباره ميل المنحنى بين 0.05...0.25% من الإجهاد. يمكن استخدامه لضمان الجودة وتطوير المواد وتحسينها وكذلك بعض مهام قياس الأبعاد. ومع ذلك، لا يمكن استخدامه لتصميم المكونات والمحاكاة.
لهذا الغرض، من المهم الحصول على بيانات تعتمد على الوقت ودرجة الحرارة التي تتنبأ بسلوك المادة على مدى عمر الخدمة في ظروف تحميل واقعية. والطريقة المختارة هي التحليل الديناميكي الميكانيكي الديناميكي (DMA)، والذي يسمح بتعريض العينة لحمل جيبي ويتم الكشف عن الاستجابة اللزجة المرنة للمادة. ومن خلال تغيير درجة الحرارة وتكرار القياس، يمكن تحليل درجة الحرارة والاعتماد على الوقت أيضًا.
لفهم تطور خاصية جزء SLS أثناء الطباعة وخاصةً الانكماش والالتواء، يلزم إجراء قياس DMA المعتمد على درجة الحرارة. أثناء الدورة الثابتة لطلاء المسحوق والصهر بالليزر، تتغير درجة الحرارة باستمرار داخل الجزء ويتشكل تدرج في درجة الحرارة من أسفل الجزء إلى أعلاه. يمكن أن يتسبب ذلك في حدوث التواء، وهو ما تم شرحه في هذا المنشور السابق عن التمدد الحراري.
فهم الضغوط المتبقية داخل جزء SLS
ومع ذلك، هناك تأثير آخر للالتواء وهو تراكم الإجهادات المتبقية، σ، داخل الجزء، والتي تتأثر بمعامل E وتدرج درجة الحرارة. توجد العلاقة المبسطة التالية:
حيث ΔT هو تدرج درجة الحرارة بين الأعلى والأسفل، و d هو سُمك الجزء، و z يشير إلى موقع معين عبر سُمك الجزء. من هذه العلاقة، يمكن ملاحظة أنه بالنسبة لهندسة معينة، كلما زاد تدرج درجة الحرارة و/أو زاد المعامل، زادت الضغوط المتبقية.
كيفية تحديد الضغوط المتبقية باستخدام DMA
للحصول على بيانات المعامل المعتمد على درجة الحرارة، طُبعت عينات عظم الكلب في معهد تكنولوجيا البوليمرات (LKT) التابع لجامعة إرلانجن-نورمبرج باستخدام مسحوق PA12 باستخدام معلمات قياسية تبلغ 0.4 جول/مم3. بعد ذلك، تم تحضير العينات في شركة NETZSCH للتحليل والاختبار عن طريق قطع القطع الوسطى من عظام الكلاب هذه بطول 50 مم، مما ينتج عنه عوارض بأبعاد 50 مم × 10 مم × 4.5 مم. على الرغم من أن السطح يظهر الخشونة النموذجية لأجزاء SLS، لم يتم اختيار معالجة سطحية إضافية، لأن الأسطح كانت متوازية بشكل مستوٍ.
ثم تم تحميل العينات بعد ذلك في أداة التثبيت المرنة بعرض 40 مم في NETZSCH DMA 242 E Artemis. بعد خطوة التبريد والمعايرة الأولية، تم تسخين العينات من -50 درجة مئوية إلى 180 درجة مئوية عند 2 كلفن/دقيقة، وهي أقل بقليل من درجة حرارة انصهار المادة. تم تلخيص جميع شروط القياس في الجدول التالي:
الجدول 1: شروط القياس
| حامل العينة | 3 نقاط ثني، طول الامتداد 40 مم |
| عامل القوة التناسبية | 1.2 |
| الحمل الديناميكي | بحد أقصى 10 N |
| السعة | 30 ميكرومتر |
| التردد | 1 هرتز |
| نطاق درجة الحرارة | -50 ... 180 درجة مئوية بمعدل تسخين 2 كلفن/دقيقة |
الاستجابة المرنة هي الأكثر أهمية
يصور الشكل 2 نتائج قياس معامل التخزين E'، ومعامل الفقد E" وكذلك معامل التخميد tand. وتُظهر هذه النتائج السلوك النموذجي للمواد البلاستيكية الحرارية شبه البلورية. يُظهر معامل التخزين انخفاضًا عند درجات الحرارة الانتقالية، والانتقال الزجاجي والانصهار، ويُظهر معامل الفقد و tand حدًا أقصى. يتم اختيار العامل المستخدم في التحليل بناءً على التأثير الأكثر أهمية. لفهم الانكماش وتراكم الإجهاد المتبقي، فإن الاستجابة المرنة (E') هي الأكثر أهمية وسيتم تحليلها هنا.
مع زيادة درجة الحرارة، يتناقص معامل التخزين باستمرار. تبلغ قيمة E' عند درجة حرارة الغرفة 1438 ميجا باسكال. تُظهر ورقة البيانات الخاصة بالعينة المقاسة عادةً قيمًا مختلفة (هنا: 1650 ميجا باسكال) لأن معامل يونج يُقاس في حالة التوتر. أثناء قياس DMA في وضع الانثناء، يعمل كل من حمل الشد والضغط على العينة، خاصةً عند قياس العينات الأكثر سمكًا. تم تحديد بداية الانتقال الزجاجي ب 27 درجة مئوية. بعد الانخفاض في المعامل، تنخفض القيم أكثر من 500 ميجا باسكال إلى 114 ميجا باسكال عند بداية الذوبان (167 درجة مئوية).
في حين أن قيمة معامل التخزين E' تحت الذوبان مباشرةً مهمة جدًا لنجاح عملية الطباعة، فإن التطور الكامل مهم أثناء مرحلة التبريد. ونظرًا للتغير الكبير في المعامل عند الانتقال الزجاجي، يجب أن تكون عملية التبريد بطيئة جدًا (> 12 ساعة للبناء بأكمله) لتقليل أو إزالة الالتواء وتراكم الإجهاد المتبقي خلال هذه المرحلة. يمكن أن يساعد فهم هذا السلوك في تحسين العملية وربما تسريع هذه الخطوة العملية المستهلكة للوقت.
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. تشمل مجالات البحث 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.
كتاب إلكتروني مجاني
التحليل الحراري وعلم الريولوجيا في التصنيع المضاف للبوليمر
اكتشف الأسرار الكامنة وراء قدرات التصنيع الإضافي التي تغير قواعد اللعبة! يتعمق كتابنا الإلكتروني الذي تم إصداره حديثًا في صميم عملية التصنيع الإضافي ويكشف النقاب عن قوة تقنيات توصيف المواد الموثوق بها، وتحديدًا التحليل الحراري وعلم الريولوجيا.