Πώς τα πληρωτικά αυξάνουν την ισοτροπική ή ανισοτροπική συμπεριφορά των εξαρτημάτων SLS μέσω της ευθυγράμμισής τους

Τα πολυμερή συρρικνώνονται. Το μεγαλύτερο μέρος της συρρίκνωσης συμβαίνει κατά το στάδιο της ψύξης κατά την επεξεργασία των πολυμερών. Ένας τρόπος μείωσης της συρρίκνωσης είναι η προσθήκη πληρωτικών ουσιών. Τα πλεονεκτήματα συζητήθηκαν σε προηγούμενο άρθρο.

Η προσθήκη πληρωτικών υλικών οδηγεί σε αύξηση των μηχανικών επιδόσεων. Ενώ απαιτείται ένα κρίσιμο μήκος των πληρωτικών υλικών για να έχει επίδραση στην αντοχή των εξαρτημάτων, η ακαμψία αυξάνεται ήδη με πληρωτικά υλικά με λόγο διαστάσεων small. Σε μια μελέτη που διεξήχθη από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πολυμερών του Πανεπιστημίου Erlangen-Nuremberg [1], θερμικά αγώγιμα χάλκινα πληρωτικά αναμείχθηκαν με σκόνη PA12 σε διαφορετικές περιεκτικότητες όγκου για να αξιολογηθεί η αλλαγή στις ιδιότητες και τις επιδόσεις.

Ανάλυση των αλλαγών στη δυσκαμψία με δυναμική μηχανική ανάλυση

Για να γίνει κατανοητός ο τρόπος με τον οποίο μεταβάλλεται η δυσκαμψία ή το μέτρο ελαστικότητας ως συνάρτηση της γεωμετρίας και της περιεκτικότητας σε πληρωτικό υλικό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η δυναμική μηχανική ανάλυση (D MA). Στο NETZSCH Analyzing & Testing, αναλύθηκαν μη γεμισμένα δείγματα καθώς και δείγματα γεμισμένα με σφαίρες χαλκού (5 και 10 vol%) και νιφάδες χαλκού (5 vol%) με τη χρήση του NETZSCH DMA 242 E Artemis.

Προετοιμασία δείγματος και συνθήκες μέτρησης

Δείγματα των 50mmx10mmx4.5 mm κόπηκαν από δείγματα οστών σκύλου. Πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή ώστε το πάχος του δείγματος να είναι ομοιόμορφο, καθώς αυτή η μέθοδος μέτρησης είναι πολύ ευαίσθητη σε τυχόν αποκλίσεις. Στη διαδικασία SLS, για παράδειγμα, μπορεί να εμφανιστεί πλευρική ανάπτυξη των τεμαχίων όταν το τήγμα στο εσωτερικό της κλίνης σκόνης είναι τόσο θερμό που τα στερεά σωματίδια αρχίζουν να συσσωματώνονται στην επιφάνεια. Αυτό δεν παρατηρήθηκε σε αυτά τα δείγματα και, συνεπώς, δεν χρειάστηκαν πρόσθετες επιφανειακές επεξεργασίες.

Για τη μέτρηση, τα δείγματα φορτώθηκαν στη συνέχεια στο εξάρτημα κάμψης πλάτους 40 mm. Μετά από ένα αρχικό στάδιο ψύξης και εξισορρόπησηςlibra, τα δείγματα θερμάνθηκαν από -50°C έως 180°C με ταχύτητα 2 K/min, η οποία είναι ακριβώς κάτω από τη θερμοκρασία τήξης του υλικού και καλύπτει όλες τις πιθανές συνθήκες λειτουργίας. Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Επίδραση των χάλκινων πληρωτικών υλικών στο μέτρο αποθήκευσης

Τα αποτελέσματα των καθαρών PA12 και η επίδρασή τους στην παραμόρφωση των εξαρτημάτων SLS μπορούν να βρεθούν εδώ.

Το γράφημα στο Σχήμα 1 δείχνει την καμπύλη του μέτρου αποθήκευσης E' για το καθαρό PA12 καθώς και τα δείγματα με 5 και 10 vol% σφαίρες χαλκού και 5 vol% νιφάδες χαλκού. Μπορεί να φανεί ότι η γενική συμπεριφορά όλων των δειγμάτων είναι πολύ παρόμοια. Επιπλέον, η έναρξη της πτώσης του μέτρου ελαστικότητας κατά τη υαλώδη μετάβαση και κατά την τήξη συμβαίνει σε στενές περιοχές θερμοκρασιών 2°C και 4°C, αντίστοιχα.

Η εξέταση των τιμών του μέτρου ελαστικότητας των διαφόρων δειγμάτων δείχνει - όπως αναμενόταν - τις χαμηλότερες τιμές του καθαρού PA12 (π.χ. 1480 MPa στους 27,5°C και 135 MPa στους 167,7°C). Το μέτρο ελαστικότητας των δειγμάτων που είναι γεμισμένα με σφαιρίδια Cu 5 vol% παρουσιάζει ελαφρώς υψηλότερες τιμές. Σημαντική αύξηση παρατηρείται με σφαιρίδια Cu 10 vol%, γεγονός που δείχνει ότι ακόμη και τα πληρωτικά με λόγο διαστάσεων = 1 μπορούν να αυξήσουν τη δυσκαμψία του υλικού όταν χρησιμοποιείται αρκετά υψηλή περιεκτικότητα σε πληρωτικό υλικό. Ωστόσο, φαίνεται ότι οι υψηλότερες τιμές μέτρου ελαστικότητας επιτυγχάνονται με νιφάδες χαλκού 5 vol% (π.χ. 2278 MPa στους 26,7°C). Αυτό το μέτρο ελαστικότητας κατά την έναρξη της υαλώδους μετάβασης είναι 54% υψηλότερο με τις νιφάδες σε σύγκριση με το καθαρό PA12. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από τον επικρατούντα προσανατολισμό των νιφάδων στο επίπεδο xy, το οποίο είναι ευθυγραμμισμένο με τον άξονα δοκιμής στη διάταξη κάμψης. Ο κυρίαρχος προσανατολισμός των νιφάδων παρουσιάστηκε και αναλύθηκε σε αυτό το άρθρο.

Επίδραση των χάλκινων πληρωτικών υλικών στο μέτρο απώλειας και στο tan δ

Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του μέτρου απώλειας E" και του tan δ των ίδιων δειγμάτων που παρουσιάζονται στο Σχήμα 1.

Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν επίσης ότι τα χαρακτηριστικά μέγιστα είναι ανεξάρτητα από τις παραλλαγές του δείγματος που εξετάστηκαν.

Πώς να τροποποιήσετε με επιτυχία την απόδοση του υλικού

Οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν ότι η δυσκαμψία των τεμαχίων SLS αυξάνεται με την προσθήκη πληρωτικών υλικών, ανεξάρτητα από τον λόγο διαστάσεων τους. Αποδεικνύεται περαιτέρω ότι για πληρωτικά με υψηλότερο λόγο διαστάσεων, όπως οι νιφάδες Cu, ακόμη και η περιεκτικότητα σε πληρωτικά small μπορεί να έχει σημαντική επιρροή, όπως αύξηση του μέτρου ελαστικότητας κατά 54%. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροποποίηση των επιδόσεων του υλικού χωρίς αλλαγή σε ένα εντελώς νέο πολυμερές, το οποίο μπορεί να είναι δύσκολο να επεξεργαστεί στη διαδικασία SLS.

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.

Πηγές

[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, pp. 1801-1809, 2019