تأثير الحشوات متساوية الخواص على انكماش أجزاء SLS

تنكمش البوليمرات. يحدث معظم الانكماش أثناء خطوة تبريد معالجة البوليمر. واعتمادًا على ظروف المعالجة، قد يستمر الجزء البلاستيكي النهائي في الانكماش بشكل طفيف جدًا حتى تستقر درجة الحرارة ومحتوى الرطوبة، أو أثناء الاستخدام، إذا حدثت تأثيرات إعادة التبلور أو الاسترخاء. تتمثل إحدى طرق تقليل الانكماش وزيادة ثبات أبعاد البوليمرات في إضافة مواد مالئة غير عضوية. في حين أن هذه الممارسة كانت شائعة في معالجة البوليمرات التقليدية، فقد تم انتقاؤها أيضًا من قبل مجتمع التصنيع الإضافي؛ على سبيل المثال، في عملية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS).

الحشوات المناسبة للتصنيع الإضافي: الخرز الزجاجي

من أجل الحصول على الحد الأقصى من الانكماش، ولكن بأقل قدر ممكن من التفاعل مع المعالجة، يمكن استخدام مواد حشو متساوية الخواص على شكل حبة لها حجم أو توزيع حجم مماثل لحجم أو توزيع مسحوق البوليمر نفسه.

مثل مواد الحشو المستخدمة في SLS هي خرز زجاجي وتحديدًا الخرز الزجاجي المجوف الذي لا يتعارض مع إمكانية الوزن الخفيف للبوليمرات.

ويتبع التمدد الحراري للنظام المملوء (_ac) قاعدة الخليط تقريبًا:

_αc= α ∙Vm _∙Vmα+ ∙Vf

حيث يشير m إلى المصفوفة، ويشير f إلى الحشو وV هو الكسر الحجمي بالنسبة المئوية.

عينات طباعة ثلاثية الأبعاد لمسحوق PA12 المملوء بالزجاج

تم إعداد العينات كجزء من دراسة [1] أجراها باحثون في مركز هندسة البوليمرات (PEC) في جامعة ويسكونسن ماديسون. استخدموا خلائط مختلفة من الخرز الزجاجي (الكثافة الحقيقية = 0.456 ^جم/سم3) مع مسحوق PA12 (الكثافة = 0.95 ^جم/سم3) في طابعة SLS المكتبية Sinterit Lisa من Sinterit Lisa المزودة بليزر الصمام الثنائي بدلاً من ليزر ثاني أكسيد _{الكربون} المعتاد. تم ضبط درجة حرارة سرير الطباعة على 177.5 درجة مئوية.

كيفية تحديد التمدد الحراري للعينات المطبوعة ثلاثية الأبعاد

في شركة NETZSCH للتحليل والاختبار، تم تحليل العينات غير المملوءة وكذلك العينات المملوءة بخرز زجاجي مجوف بنسبة 5٪ بالوزن باستخدام NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. من أجل تحديد معامل التمدد الحراري (CTE)، تم قطع عينات من عينات عظام الكلاب في ثلاثة اتجاهات مختلفة، الشكل 1.

تبلغ أبعاد العينات في الاتجاهين x و y 10 × 5 × 3.2 ^مم 3 وفي الاتجاه z 3.2 × 5 × 5 مم ³. كانت كثافة العينات التي تم إعدادها لقياسات TMA 0.974 ^جم/سم3 للعينة غير المملوءة و0.932 ^جم/سم3 للعينة التي تحتوي على 5٪ حشو بالوزن. وهذا يدل على أن الكثافة وبالتالي وزن الجزء لا يتأثران بإضافة خرز الزجاج.

تم قياس التمدد الحراري في نطاق من -20 إلى 170 درجة مئوية بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة. تم تلخيص جميع ظروف القياس في الجدول التالي:

الجدول 1: شروط القياس

التمدد الحراري المتساوي الخواص

يظهر في الشكل 2 الرسم البياني الناتج لقياس العينة التي تحتوي على حبات زجاجية بنسبة 5٪ بالوزن. يمكن ملاحظة أن التمدد الحراري متساوي الخواص تقريبًا كما هو متوقع مع هذه الحشوات ثلاثية الأبعاد بنسبة عرض إلى ارتفاع قريبة من 1. ومع ذلك، يمكن أيضًا ملاحظة أن التمدد عبر سمك الأجزاء في الاتجاه z أقل من الاتجاهين الآخرين. قد يكون هذا مرتبطًا بتأثيرات المسامية بين الطبقات أو التغيرات في قوة الترابط داخل الطبقة مقارنةً بالطبقات فيما بينها.

يتم إعطاء مؤشر على صحة هذا الافتراض من خلال نتائج الاختبارات الميكانيكية الإضافية من الدراسة [1]. أظهر الباحثون أنه مع زيادة محتوى الحشو حتى 5٪ بالوزن، زادت هشاشة العينات بسبب المسامية.

وأظهر المؤلفون أيضًا أن مواد الحشو تعمل كمواقع تنوي وتؤثر على سلوك تبلور مسحوق PA12 [1]. ولوحظ نفس التأثير مع كريات النحاس كمواد مالئة وتم شرح تحليل DSC المطلوب هنا!

نبذة عن مركز هندسة البوليمرات

تتنوع الاهتمامات البحثية في مركز PEC من البلاستيك التقليدي والمركبات البوليمرية/المعدنية إلى البوليمرات والمركبات القائمة على أساس حيوي؛ ومن العمليات التقليدية إلى العمليات الناشئة والمبتكرة؛ ومن النمذجة الهندسية والنماذج الأولية إلى التحكم في العمليات والأتمتة؛ ومن الأغشية النانوية والمركبات النانوية إلى البلاستيكيات الدقيقة؛ ومن النمذجة والمحاكاة المتقدمة إلى أدوات التصميم والتصنيع القائمة على الإنترنت والويب.

المصادر

[1] Klett, J., Osswald, T.A., Cholewa, S., Investigation of glass bubbles iM16K polyamide 12 composites for Selective Laser Sintering, مؤتمر ANTEC 2020, مارس 31, 2020