Jak plniva zvyšují izotropní nebo anizotropní chování dílů SLS jejich zarovnáním

Polymery se smršťují. Ke smršťování dochází většinou během chlazení při zpracování polymerů. Způsobem, jak smršťování snížit, je přidání plniv. Výhody byly popsány v předchozím článku.

Přídavek plniv vede ke zvýšení mechanických vlastností. Zatímco k tomu, aby se projevil vliv na pevnost součástí, je nutná kritická délka plniv, tuhost se zvyšuje již při použití plniv s poměrem stran small. Ve studii provedené Institutem technologie polymerů na Univerzitě Erlangen-Norimberk [1] byla tepelně vodivá měděná plniva smíchána s práškem PA12 v různých objemových obsazích, aby se vyhodnotila změna vlastností a výkonu.

Analýza změn tuhosti pomocí dynamické mechanické analýzy

K pochopení toho, jak se mění tuhost nebo Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti v závislosti na geometrii a obsahu plniva, lze použít dynamickou mechanickou analýzu (DMA). Ve společnosti NETZSCH Analyzing & Testing byly analyzovány vzorky bez náplně i vzorky naplněné měděnými kuličkami (5 a 10 obj. %) a měděnými vločkami (5 obj. %) pomocí přístroje NETZSCH DMA 242 E Artemis.

Příprava vzorku a podmínky měření

Ze vzorků psích kostí byly vyříznuty vzorky o rozměrech 50x10x4,5 mm. Zvláštní pozornost je třeba věnovat zajištění rovnoměrné tloušťky vzorku, protože tato metoda měření je velmi citlivá na jakékoli odchylky. Například při procesu SLS může dojít k bočnímu růstu dílů, když je tavenina uvnitř práškového lože tak horká, že pevné částice začnou spékat na povrch. To u těchto vzorků nebylo pozorováno, a proto nebylo nutné provádět žádné další úpravy povrchu.

Pro měření byly vzorky následně zatíženy v ohybovém přípravku o šířce 40 mm. Po počátečním ochlazení a vyrovnání byly vzorky zahřívány z -50 °C na 180 °C rychlostí 2 K/min, což je těsně pod teplotou tání materiálu a pokrývá všechny možné provozní podmínky. Všechny podmínky měření jsou shrnuty v následující tabulce:

Tabulka 1: Podmínky měření

Vliv měděných plniv na modul skladovatelnosti

Výsledky čistého PA12 a jejich vliv na deformace dílů vyrobených metodou SLS naleznete zde.

Graf na obrázku 1 ukazuje křivku modulu úložné pružnosti E' pro čistý PA12 a vzorky s 5 a 10 obj. % měděných kuliček a 5 obj. % měděných vloček. Je vidět, že obecné chování všech vzorků je velmi podobné. Navíc k nástupu poklesu modulu pružnosti při skelném přechodu a při tání dochází v úzkém teplotním rozmezí 2 °C, resp. 4 °C.

Při pohledu na hodnoty modulů přetvárnosti jednotlivých vzorků jsou podle očekávání nejnižší hodnoty u čistého PA12 (např. 1480 MPa při 27,5 °C a 135 MPa při 167,7 °C). Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. Modul pružnosti vzorků plněných 5 obj. % Cu kuliček vykazuje mírně vyšší hodnoty. Výrazné zvýšení je pozorováno u 10 obj. % Cu kuliček, což ukazuje, že i plniva s poměrem stran = 1 mohou zvýšit tuhost materiálu při použití dostatečně vysokého obsahu plniva. Je však vidět, že nejvyšších hodnot modulu pružnosti je dosaženo s 5 % obj. měděných vloček (např. 2278 MPa při 26,7 °C). Tento modul na počátku skelného přechodu je u vloček o 54 % vyšší než u čistého PA12. To lze vysvětlit převažující orientací vloček v rovině xy, která je zarovnaná s osou zkoušení v ohybovém přípravku. Převažující orientace vloček byla ukázána a analyzována v tomto článku.

Vliv měděných plniv na ztrátový modul a tan δ

Na obrázku 2 jsou uvedeny výsledky ztrátového modulu E" a tan δ stejných vzorků jako na obrázku 1.

Tyto výsledky také ukazují, že charakteristická maxima jsou nezávislá na zkoumaných variantách vzorku.

Jak úspěšně upravit výkon materiálu

Měření potvrdila, že tuhost dílů vyrobených metodou SLS se zvyšuje přidáním plniv bez ohledu na jejich poměr stran. Dále se ukazuje, že u plniv s vyššími poměry stran, jako jsou Cu vločky, může mít i small obsah plniva významný vliv, např. zvýšení modulu pružnosti o 54 %. Toho lze využít k úpravě vlastností materiálu bez nutnosti změny na zcela nový polymer, který by mohl být obtížně zpracovatelný v procesu SLS.

O Ústavu technologie polymerů (LKT)

Institut technologie polymerů je akademický výzkumný ústav Univerzity Friedricha Alexandra v Erlangenu-Norimberku. Je jedním z lídrů v oblasti výzkumu aditivní výroby, zejména SLS. Mezi další hlavní oblasti výzkumu patří konstrukce lehkých materiálů a FRP, materiály a zpracování, technologie spojování a tribologie. Kromě těchto výzkumných zaměření se institut zabývá také mezioborovými tématy, jako je například míchání plniv, simulace zpracování a aplikací, radiačně zesítěné termoplasty, šetrné zpracování a mnoho dalších.

Zdroje

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., Selective Laser Sintering of Copper Filled Polyamide 12: Characterization of Powder Properties and Process Behavior, Polymer Composites, s. 1801-1809, 2019