Оценяване на остатъчните напрежения в SLS части с помощта на DMA

Поради това точността на размерите им трябва да бъде висока, за да могат да се впишат добре в по-големи възли по време на експлоатационния им живот. Когато се експлоатират при повишена температура, всички остатъчни напрежения могат да бъдат вредни за работата на детайла. За да се разберат по-добре остатъчните напрежения, е необходимо да се познава модулът на материала.

Модулът на материалите, включително полимерите, обикновено се измерва при статични механични изпитвания, при които се нанасят графики на поведението напрежение-деформация по време на изпитване на опън и модулът на Юнг се изчислява като наклон на кривата между 0,05...0,25 % деформация. Той може да се използва за осигуряване на качеството, разработване и оптимизиране на материали, както и за някои задачи по определяне на размерите. Той обаче не може да се използва за проектиране и симулация на компоненти.

За тази цел е важно да се получат данни, зависещи от времето и температурата, които да предсказват поведението на материала през целия експлоатационен период при реалистични условия на натоварване. Избраният метод е динамично-механичният анализ (DMA), който позволява образецът да бъде подложен на синусоидално натоварване и да се определи вискоеластичната реакция на материала. Чрез промяна на температурата и честотата на измерване може да се анализира и зависимостта от температурата и времето.

За да се разбере развитието на свойствата на SLS детайлите по време на печатането и по-специално свиването и деформацията, е необходимо измерване на DMA в зависимост от температурата. По време на постоянния цикъл на нанасяне на прахово покритие и лазерно топене температурата в детайла постоянно се променя и се образува температурен градиент от долната част на детайла към горната. Това може да доведе до изкривяване, което е обяснено в тази предишна публикация за температурното разширение.

Как да определим остатъчните напрежения с помощта на DMA

За да се получат данните за модула на натиск в зависимост от температурата, в Института по полимерни технологии (LKT) на Университета Ерланген-Нюрнберг бяха отпечатани образци от кучешки кости с прах PA12 при стандартни параметри от 0,4 ^J/mm3. След това образците бяха подготвени в NETZSCH Analyzing & Testing, като средните парчета от тези кучешки кости бяха изрязани на дължина 50 mm, в резултат на което се получиха греди с размери 50 mm x 10 mm x 4,5 mm. Дори и така повърхността да показва типичната грапавост на SLS детайлите, не беше избрана допълнителна обработка на повърхността, тъй като повърхностите бяха равнинно-паралелни.

След това образците бяха натоварени в приспособлението за огъване с ширина 40 mm на NETZSCH DMA 242 E Artemis. След първоначална стъпка на охлаждане и уравновесяване образците бяха нагряти от -50°C до 180°C със скорост 2 K/min, което е малко под температурата на топене на материала. Всички условия на измерване са обобщени в следващата таблица:

Таблица 1: Условия на измерване

Еластичната реакция е най-важна

На фигура 2 са показани резултатите от измерванията на модула на съхранение E', модула на загуби E", както и коефициента на затихване tand. Те показват типичното поведение на полукристален термопластичен материал. Модулът на съхранение показва спад при преходните температури, стъкловидния преход и топенето, а модулът на загубите и tand показва максимум. Коефициентът, използван за анализа, се избира въз основа на ефекта, който представлява най-голям интерес. За да се разбере свиването и натрупването на остатъчни напрежения, еластичната реакция (E') е най-важна и ще бъде анализирана тук.

С увеличаване на температурата модулът на съхранение непрекъснато намалява. Стойността на E' при стайна температура е 1438 MPa. Информационният лист на измерената проба обикновено показва различни стойности (тук: 1650 MPa), тъй като модулът на Юнг се измерва при опън. По време на измерването на DMA в режим на огъване върху образеца действат както натоварването на натиск, така и на опън, особено при измерване на по-дебели образци. Началото на стъкловидния преход е определено на 27°C. След спада на модула стойностите допълнително намаляват от 500 MPa до 114 MPa в началото на топенето (167°C).

Въпреки че стойността на модула на съхранение E' непосредствено под точката на топене е много важна за успешния процес на отпечатване, цялата прогресия е важна по време на етапа на охлаждане. Поради голямата промяна в модула при прехода към стъкло, процесът на охлаждане трябва да бъде много бавен (> 12 часа за цялата конструкция), за да се намалят или елиминират изкривяванията и натрупването на остатъчни напрежения по време на този етап. Разбирането на това поведение може да помогне за оптимизиране на процеса и потенциално да ускори този отнемащ време етап от процеса.

За Института по полимерни технологии (LKT)

Институтът по полимерни технологии е академичен изследователски институт към Университета "Фридрих-Александър" в Ерланген-Нюрнберг. Той е един от лидерите в изследванията в областта на адитивното производство, по-специално SLS. Други основни изследователски области включват олекотен дизайн и FRP, материали и обработка, технология на съединяване и трибология. В допълнение към тези изследователски фокуси, институтът работи и по интердисциплинарни теми като комбиниране на пълнителни материали, симулация на обработката и приложения, радиационно омрежени термопласти, щадяща обработка и много други.