Влияние на изотропните пълнители върху свиването на SLS детайли

Полимерите се свиват. По-голямата част от свиването се случва по време на етапа на охлаждане при обработката на полимерите. В зависимост от условията на обработка готовата пластмасова част може да продължи да се свива много слабо, докато температурата и съдържанието на влага се стабилизират, или по време на употреба, ако се появят ефекти на рекристализация или релаксация. Един от начините за намаляване на свиването и увеличаване на стабилността на размерите на полимерите е добавянето на неорганични пълнители. Макар че това е обичайна практика в конвенционалната обработка на полимери, тя е възприета и от общността на адитивното производство; например в процеса на селективно лазерно синтероване (SLS).

Подходящи пълнители за адитивно производство: Стъклени топчета

За да се постигне максимално намаляване на свиването, но възможно най-ниско взаимодействие при обработката, могат да се използват изотропни пълнители с форма на топчета, които имат подобен размер или разпределение на размера като самия полимерен прах.

Такива пълнители, използвани в SLS, са стъклени топчета и по-специално кухи стъклени топчета, които не противодействат на потенциала за леко тегло на полимерите.

Топлинното разширение на напълнената система (_ac) следва приблизително правилото на сместа:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

където m обозначава матрицата, f обозначава пълнителя, а V е обемната фракция в %.

3D принтиране на образци от PA12 на прах, напълнени със стъкло

Пробите са подготвени като част от проучване [1] на изследователи от Центъра за полимерно инженерство (PEC) към Университета на Уисконсин-Медисън. Те са използвали различни смеси от стъклени топчета (истинска плътност = 0,456 ^g/cm3) с прах PA12 (плътност = 0,95 ^g/cm3) в настолен SLS принтер Sinterit Lisa с диоден лазер вместо иначе типичния_CO2 лазер. Температурата на печатащото легло е настроена на 177,5°C.

Как да определим температурното разширение на 3D отпечатаните образци

В NETZSCH Analyzing & Testing, ненапълнените проби, както и пробите, напълнени с 5 тегловни % кухи стъклени перли, бяха анализирани с помощта на NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. За да се определи коефициентът на термично разширение (КТЕ), от образци от кучешка кост бяха изрязани проби в три различни посоки, фигура 1.

Размерите на образците в посока x и y са 10x5x3,2 ^mm3, а в посока z - 3,2x5x5 ^mm3. Плътността на образците, подготвени за измерванията на TMA, е 0,974 ^g/cm3 за ненапълнения и 0,932 ^g/cm3 за образеца с 5 тегловни % пълнител. Това показва, че плътността и съответно теглото на даден детайл не се влияят от добавянето на стъклени перли.

Термичното разширение е измерено в диапазона от -20 до 170ºC при скорост на нагряване 5 K/min. Всички условия на измерване са обобщени в следната таблица:

Таблица 1: Условия на измерване

Изотропно топлинно разширение

Получената графика за измерването на образеца с 5 тегловни процента стъклени перли е показана на фигура 2. Вижда се, че топлинното разширение е почти изотропно, както би се очаквало при такива 3D пълнители със съотношение на страните близо до 1. Въпреки това се вижда също, че разширението през дебелината на частите в посока z е по-ниско, отколкото за другите две посоки. Това може да е свързано с ефектите на порьозност между слоевете или с промени в здравината на свързване в рамките на слоя в сравнение с тази между слоевете.

Индикация за валидността на това предположение дават резултатите от допълнителни механични изпитвания от изследването [1]. Изследователите показват, че с увеличаване на съдържанието на пълнителя до 5 тегловни % крехкостта на образците се увеличава поради порьозност.

Авторите също така показват, че пълнителите действат като места за образуване на ядра и влияят върху поведението на кристализация на праха PA12 [1]. Същият ефект е наблюдаван и при медните сфери като пълнители, а необходимият DSC анализ е обяснен тук!

За Центъра за полимерно инженерство

Изследователските интереси на PEC варират от традиционни пластмаси и полимерни/метални композити до полимери и композити на биологична основа; от конвенционални до нови и иновативни процеси; от геометрично моделиране и създаване на прототипи до контрол и автоматизация на процесите; от нанофилми и нанокомпозити до микроклетъчни пластмаси; и от усъвършенствано моделиране и симулация до интернет и уеб-базирани инструменти за проектиране и производство.

Източници

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