Indflydelse af isotrope fyldstoffer på krympningen af SLS-emner

Polymerer krymper. Det meste af krympningen sker under afkølingstrinnet i polymerbehandlingen. Afhængigt af forarbejdningsbetingelserne kan den færdige plastdel fortsætte med at krympe meget lidt, indtil temperatur og fugtindhold stabiliseres, eller under brug, hvis der opstår re-KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering eller afslapningseffekter. En måde at reducere krympning og øge polymerers dimensionsstabilitet på er ved at tilsætte uorganiske fyldstoffer. Selvom det har været almindelig praksis i konventionel polymerbehandling, er det også blevet taget op af Additive Manufacturing-samfundet; for eksempel i Selective Laser Sintering (SLS)-processen.

Velegnede fyldstoffer til additiv fremstilling: Glasperler

For at opnå den maksimale reduktion af krympning, men den lavest mulige interaktion med forarbejdningen, kan der anvendes isotrope, perleformede fyldstoffer, der har en lignende størrelse eller størrelsesfordeling som selve polymerpulveret.

Sådanne fyldmaterialer, der anvendes i SLS, er glasperler og specifikt hule glasperler, der ikke modvirker polymerernes letvægtspotentiale.

Den termiske udvidelse af et fyldt system (_ac) følger nogenlunde blandingsreglen:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

hvor m betegner matricen, f betegner fyldstoffet, og V er volumenfraktionen i %.

3D-print af PA12-pulver fyldt med glas

Prøverne blev fremstillet som en del af en undersøgelse [1] af forskere ved Polymer Engineering Center (PEC) ved University of Wisconsin-Madison. De brugte forskellige blandinger af glasperler (ægte TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed = 0,456 ^g/cm3) med PA12-pulver (TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed = 0,95 ^g/cm3) i en Sinterit Lisa desktop SLS-printer med en diodelaser i stedet for den ellers typiske_CO2-laser. Tryksengens temperatur blev indstillet til 177,5 °C.

Sådan bestemmes den termiske udvidelse af de 3D-printede prøver

På NETZSCH Analyzing & Testing blev ufyldte prøver såvel som prøver fyldt med 5 vægt% hule glasperler analyseret ved hjælp af NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. For at bestemme den termiske udvidelseskoefficient (CTE) blev prøverne skåret ud af hundeknogler i tre forskellige retninger, figur 1.

Dimensionerne på prøverne i x- og y-retning er 10x5x3,2 ^mm3 og i z-retning 3,2x5x5 ^mm3. Densiteten af prøverne, der blev forberedt til TMA-målingerne, var 0,974 ^g/cm3 for den ufyldte prøve og 0,932 ^g/cm3 for prøven med 5 vægt-% fyldstof. Dette viser, at densiteten og dermed vægten af en del ikke påvirkes af tilsætningen af glasperler.

Varmeudvidelsen blev målt i et område fra -20 til 170 ºC ved en opvarmningshastighed på 5 K/min. Alle målebetingelser er opsummeret i følgende tabel:

Tabel 1: Målebetingelser

Isotropisk termisk udvidelse

Den resulterende graf for målingen af prøven med 5 vægt-% glasperler er vist i figur 2. Det kan ses, at den termiske udvidelse er næsten isotropisk, som man ville forvente med sådanne 3D-fyldstoffer med et størrelsesforhold tæt på 1. Det kan dog også ses, at udvidelsen gennem tykkelsen af delene i z-retning er lavere end for de to andre retninger. Det kan hænge sammen med porøsitetseffekter mellem lagene eller ændringer i bindingsstyrken inden for et lag sammenlignet med mellem lagene.

En indikation af gyldigheden af denne antagelse gives af yderligere mekaniske testresultater fra undersøgelsen [1]. Forskerne viste, at med stigende fyldstofindhold op til 5 vægt-% steg prøvernes skørhed på grund af porøsitet.

Forfatterne viste også, at fyldstofferne fungerer som nukleationssteder og påvirker PA12-pulverets krystallisationsadfærd [1]. Den samme effekt blev observeret med kobberkugler som fyldstoffer, og den nødvendige DSC-analyse forklares her!

Om Polymer Engineering Center

Forskningsinteresserne på PEC spænder fra traditionel plast og polymer/metalkompositter til biobaserede polymerer og kompositter; fra konventionelle til nye og innovative processer; fra geometrisk modellering og prototyping til processtyring og automatisering; fra nanofilm og nanokompositter til mikrocellulær plast; og fra avanceret modellering og simulering til internet- og webbaserede værktøjer til design og fremstilling.

Kilder

[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