Vliv izotropních plniv na smršťování dílů SLS

Polymery se smršťují. Ke smršťování dochází většinou během chlazení při zpracování polymerů. V závislosti na podmínkách zpracování se hotový plastový díl může nadále velmi mírně smršťovat, dokud se nestabilizuje teplota a obsah vlhkosti, nebo během používání, pokud dojde k rekrystalizaci nebo relaxačním účinkům. Způsobem, jak snížit smrštění a zvýšit rozměrovou stabilitu polymerů, je přídavek anorganických plniv. Zatímco v konvenčním zpracování polymerů je to běžná praxe, převzala ji také komunita aditivní výroby; například v procesu selektivního laserového spékání (SLS).

Vhodná plniva pro aditivní výrobu: Skleněné kuličky

Pro maximální snížení smrštění, ale co nejmenší interakci při zpracování, lze použít izotropní plniva ve tvaru kuliček, která mají podobnou velikost nebo distribuci velikosti jako samotný polymerní prášek.

Takovými plnivy používanými při SLS jsou skleněné kuličky, konkrétně duté skleněné kuličky, které nepůsobí proti potenciálu lehké hmotnosti polymerů.

Tepelná roztažnost plněné soustavy (_ac) se řídí zhruba pravidlem směsi:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

kde m označuje matrici, f označuje plnivo a V je objemový zlomek v %.

3D tisk vzorků prášku PA12 plněného sklem

Vzorky byly připraveny v rámci studie [1] vědců z Centra polymerního inženýrství (PEC) na Wisconsinské univerzitě v Madisonu. Použili různé směsi skleněných kuliček (skutečná HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota = 0,456 ^g/cm3) s práškem PA12 (HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota = 0,95 ^g/cm3) ve stolní SLS tiskárně Sinterit Lisa s diodovým laserem namísto jinak typického_CO2 laseru. Teplota tiskového lože byla nastavena na 177,5 °C.

Jak zjistit tepelnou roztažnost 3D tištěných vzorků

Na adrese NETZSCH Analyzing & Testing byly analyzovány nenaplněné vzorky i vzorky naplněné dutými skleněnými kuličkami o hmotnosti 5 % pomocí přístroje NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Za účelem stanovení koeficientu tepelné roztažnosti (CTE) byly ze vzorků psí kosti vyříznuty vzorky ve třech různých směrech, obr. 1.

Rozměry vzorků ve směru x a y jsou 10x5x3,2 ^mm3 a ve směru z 3,2x5x5 ^mm3. HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota vzorků připravených pro měření TMA byla 0,974 ^g/cm3 pro vzorek bez plniva a 0,932 ^g/cm3 pro vzorek s 5 % hmot. plniva. Z toho vyplývá, že HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota, a tedy ani hmotnost dílu není přídavkem skleněných kuliček ovlivněna.

Tepelná roztažnost byla měřena v rozsahu od -20 do 170 ºC při rychlosti ohřevu 5 K/min. Všechny podmínky měření jsou shrnuty v následující tabulce:

Tabulka 1: Podmínky měření

Izotropní tepelná roztažnost

Výsledný graf pro měření vzorku s 5 % hmot. skleněných kuliček je uveden na obrázku 2. Je vidět, že tepelná roztažnost je téměř izotropní, jak by se dalo očekávat u takových 3D plniv s poměrem stran blízkým 1. Je však také vidět, že roztažnost přes tloušťku dílů ve směru z je nižší než u ostatních dvou směrů. To by mohlo souviset s efekty pórovitosti mezi vrstvami nebo se změnami pevnosti vazby uvnitř vrstvy ve srovnání s pevností mezi vrstvami.

Náznak platnosti tohoto předpokladu poskytují další výsledky mechanických zkoušek ze studie [1]. Výzkumníci prokázali, že se zvyšujícím se obsahem plniva až do 5 % hmot. se v důsledku pórovitosti zvyšovala křehkost vzorků.

Autoři také ukázali, že plniva fungují jako nukleační místa a ovlivňují krystalizační chování prášku PA12 [1]. Stejný efekt byl pozorován i u měděných kuliček jako plniva a potřebná DSC analýza je zde vysvětlena!

O Centru polymerního inženýrství

Výzkumné zájmy v PEC sahají od tradičních plastů a polymerních/kovových kompozitů po polymery a kompozity na biologické bázi, od konvenčních po nové a inovativní procesy, od geometrického modelování a prototypování po řízení a automatizaci procesů, od nanofilmů a nanokompozitů po mikrobuněčné plasty a od pokročilého modelování a simulace po internetové a webové nástroje pro navrhování a výrobu.

Zdroje

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