Εκτίμηση υπολειπόμενων τάσεων σε μέρη SLS με χρήση DMA

Ως εκ τούτου, η ακρίβεια των διαστάσεών τους πρέπει να είναι υψηλή για να ταιριάζουν καλά σε μεγαλύτερα συγκροτήματα κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Όταν λειτουργούν σε αυξημένη θερμοκρασία, τυχόν παραμένουσες τάσεις θα μπορούσαν να είναι επιζήμιες για την απόδοση του εξαρτήματος. Για την καλύτερη κατανόηση των παραμενουσών τάσεων απαιτείται η γνώση του μέτρου ελαστικότητας ενός υλικού.

Το μέτρο ελαστικότητας των υλικών, συμπεριλαμβανομένων των πολυμερών, μετράται συνήθως σε στατικές μηχανικές δοκιμές, όπου η συμπεριφορά τάσης-παραμόρφωσης κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής εφελκυσμού απεικονίζεται σε διάγραμμα και το μέτρο ελαστικότητας του Young υπολογίζεται ως η κλίση της καμπύλης μεταξύ 0,05...0,25% παραμόρφωσης. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διασφάλιση της ποιότητας, την ανάπτυξη και βελτιστοποίηση υλικών, καθώς και για ορισμένες εργασίες διαστασιολόγησης. Ωστόσο, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό και την προσομοίωση εξαρτημάτων.

Για το σκοπό αυτό, είναι σημαντικό να ληφθούν δεδομένα που εξαρτώνται από το χρόνο και τη θερμοκρασία και προβλέπουν τη συμπεριφορά του υλικού κατά τη διάρκεια της διάρκειας ζωής σε ρεαλιστικές συνθήκες φόρτισης. Η μέθοδος επιλογής είναι η δυναμική-μηχανική ανάλυση (DMA), η οποία επιτρέπει την υποβολή του δείγματος σε ημιτονοειδές φορτίο και την ανίχνευση της ιξωδοελαστικής απόκρισης του υλικού. Μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία και τη συχνότητα της μέτρησης, μπορεί να αναλυθεί επίσης η εξάρτηση από τη θερμοκρασία και το χρόνο.

Για την κατανόηση της εξέλιξης των ιδιοτήτων του τεμαχίου SLS κατά την εκτύπωση και ειδικότερα της συρρίκνωσης και της παραμόρφωσης, απαιτείται μέτρηση DMA που εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Κατά τη διάρκεια του συνεχούς κύκλου της επικάλυψης με πούδρα και της τήξης με λέιζερ, η θερμοκρασία μεταβάλλεται συνεχώς στο εσωτερικό του τεμαχίου και σχηματίζεται μια βαθμίδα θερμοκρασίας από το κάτω μέρος του τεμαχίου προς το πάνω μέρος. Αυτό μπορεί να προκαλέσει στρέβλωση, η οποία εξηγείται σε αυτή την προηγούμενη δημοσίευση σχετικά με τη θερμική διαστολή.

Πώς να προσδιορίσετε τις παραμένουσες τάσεις χρησιμοποιώντας το DMA

Για να ληφθούν τα δεδομένα του εξαρτώμενου από τη θερμοκρασία μέτρου ελαστικότητας, εκτυπώθηκαν δοκίμια dogbone στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών (LKT) του Πανεπιστημίου Erlangen-Nuremberg με σκόνη PA12 χρησιμοποιώντας τυπικές παραμέτρους 0,4 ^J/mm3. Στη συνέχεια, τα δοκίμια προετοιμάστηκαν στο NETZSCH Analyzing & Testing κόβοντας τα μεσαία κομμάτια αυτών των dogbones σε μήκος 50 mm, γεγονός που οδηγεί σε δοκούς διαστάσεων 50 mm x 10 mm x 4,5 mm. Παρόλο που η επιφάνεια παρουσιάζει την τυπική τραχύτητα των τεμαχίων SLS, δεν έγινε καμία πρόσθετη επιφανειακή επεξεργασία selected, επειδή οι επιφάνειες ήταν επίπεδες-παράλληλες.

Στη συνέχεια τα δοκίμια φορτώθηκαν στην καμπτική διάταξη πλάτους 40 mm του NETZSCH DMA 242 E Artemis. Μετά από ένα αρχικό βήμα ψύξης και εξισορρόπησηςlibraτα δείγματα θερμάνθηκαν από τους -50°C στους 180°C με ταχύτητα 2 K/min, η οποία είναι ακριβώς κάτω από τη θερμοκρασία τήξης του υλικού. Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Η ελαστική απόκριση είναι η πιο σημαντική

Στο Σχήμα 2 απεικονίζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων του μέτρου αποθήκευσης E', του μέτρου απωλειών E" καθώς και του συντελεστή απόσβεσης tand. Δείχνουν την τυπική συμπεριφορά ενός ημικρυσταλλικού θερμοπλαστικού υλικού. Το μέτρο αποθήκευσης παρουσιάζει πτώση στις θερμοκρασίες μετάβασης, υαλώδους μετάβασης και τήξης, και το μέτρο απώλειας και tand παρουσιάζει μέγιστο. Ο παράγοντας που χρησιμοποιείται για την ανάλυση επιλέγεται με βάση το φαινόμενο που ενδιαφέρει περισσότερο. Για την κατανόηση της συρρίκνωσης και της δημιουργίας παραμένουσας τάσης, η ελαστική απόκριση (E') είναι η πιο σημαντική και θα αναλυθεί εδώ.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας, το μέτρο αποθήκευσης μειώνεται συνεχώς. Η τιμή του E' σε θερμοκρασία δωματίου είναι 1438 MPa. Το φύλλο δεδομένων του μετρούμενου δείγματος εμφανίζει συνήθως διαφορετικές τιμές (εδώ: 1650 MPa) επειδή το μέτρο ελαστικότητας Young μετράται σε εφελκυσμό. Κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης DMA σε λειτουργία κάμψης, τόσο το θλιπτικό όσο και το εφελκυστικό φορτίο επενεργούν στο δείγμα, ιδίως όταν μετρώνται δείγματα μεγαλύτερου πάχους. Η έναρξη της υαλώδους μετάβασης προσδιορίστηκε στους 27°C. Μετά την πτώση του μέτρου ελαστικότητας, οι τιμές μειώνονται περαιτέρω από 500 MPa σε 114 MPa κατά την έναρξη της τήξης (167°C).

Ενώ η τιμή του μέτρου αποθήκευσης E' λίγο κάτω από το στάδιο της τήξης είναι πολύ σημαντική για μια επιτυχημένη διαδικασία εκτύπωσης, ολόκληρη η εξέλιξη είναι σημαντική κατά το στάδιο της ψύξης. Λόγω της μεγάλης αλλαγής του μέτρου ελαστικότητας κατά τη μετάβαση στη υαλώδη στιβάδα, η διαδικασία ψύξης πρέπει να είναι πολύ αργή (> 12 ώρες για ολόκληρη τη κατασκευή) για να μειωθούν ή να εξαλειφθούν οι στρεβλώσεις και η δημιουργία υπολειμματικών τάσεων κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου. Η κατανόηση αυτής της συμπεριφοράς μπορεί να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της διαδικασίας και ενδεχομένως να επιταχύνει αυτό το χρονοβόρο στάδιο της διαδικασίας.

Σχετικά με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών (LKT)

Το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών είναι ένα ακαδημαϊκό ινστιτούτοarch στο Πανεπιστήμιο Friedrich-Alexander του Erlangen-Nuremberg. Αποτελεί έναν από τους ηγέτες στον τομέα της Πρόσθετης Κατασκευής research- ιδιαίτερα στην SLS. Άλλοι κύριοι τομείς research περιλαμβάνουν τον σχεδιασμό ελαφρού βάρους και FRP, τα υλικά και την επεξεργασία, την τεχνολογία σύνδεσης και την τριβολογία. Εκτός από αυτές τις εστίες research, το ινστιτούτο εργάζεται επίσης σε διεπιστημονικά θέματα όπως η σύνθεση υλικών πλήρωσης, η προσομοίωση της επεξεργασίας και των εφαρμογών, τα θερμοπλαστικά που διασυνδέονται με ακτινοβολία, η ήπια επεξεργασία και πολλά άλλα.