Επίδραση των ισοτροπικών πληρωτικών υλικών στη συρρίκνωση των εξαρτημάτων SLS

Τα πολυμερή συρρικνώνονται. Το μεγαλύτερο μέρος της συρρίκνωσης συμβαίνει κατά το στάδιο της ψύξης κατά την επεξεργασία των πολυμερών. Ανάλογα με τις συνθήκες επεξεργασίας, το τελικό πλαστικό τεμάχιο μπορεί να συνεχίσει να συρρικνώνεται πολύ ελαφρά έως ότου σταθεροποιηθούν η θερμοκρασία και η περιεκτικότητα σε υγρασία ή κατά τη χρήση, εάν εμφανιστούν φαινόμενα ανακρυστάλλωσης ή χαλάρωσης. Ένας τρόπος μείωσης της συρρίκνωσης και αύξησης της διαστατικής σταθερότητας των πολυμερών είναι η προσθήκη ανόργανων πληρωτικών υλικών. Ενώ αυτό αποτελεί κοινή πρακτική στη συμβατική επεξεργασία πολυμερών, έχει επίσης υιοθετηθεί από την κοινότητα της προσθετικής κατασκευής- για παράδειγμα, στη διαδικασία Selective Laser Sintering (SLS).

Κατάλληλα πληρωτικά υλικά για την προσθετική κατασκευή: Γυάλινα σφαιρίδια

Προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη μείωση της συρρίκνωσης, αλλά και η μικρότερη δυνατή αλληλεπίδραση με την επεξεργασία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ισοτροπικά πληρωτικά υλικά σε σχήμα σφαιριδίων που έχουν παρόμοιο μέγεθος ή κατανομή μεγέθους με την ίδια την πολυμερή σκόνη.

Τέτοια υλικά πλήρωσης που χρησιμοποιούνται στο SLS είναι γυάλινα σφαιρίδια και συγκεκριμένα κοίλα γυάλινα σφαιρίδια που δεν αντισταθμίζουν το δυναμικό ελαφρού βάρους των πολυμερών.

Η θερμική διαστολή ενός γεμισμένου συστήματος (_ac) ακολουθεί περίπου τον κανόνα του μίγματος:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

όπου m συμβολίζει τη μήτρα, f συμβολίζει το πληρωτικό υλικό και V είναι το κλάσμα όγκου σε %.

δείγματα τρισδιάστατης εκτύπωσης σκόνης PA12 γεμάτης με γυαλί

Τα δείγματα παρασκευάστηκαν στο πλαίσιο μιας μελέτης [1] από την researcτης στο Polymer Engineering Center (PEC) του Πανεπιστημίου του Wisconsin-Madison. Χρησιμοποίησαν διαφορετικά μίγματα γυάλινων σφαιριδίων (πραγματική πυκνότητα = 0,456 ^g/cm3) με σκόνη PA12 (πυκνότητα = 0,95 ^g/cm3) σε έναν επιτραπέζιο εκτυπωτή SLS Sinterit Lisa με διοδικό λέιζερ αντί του κατά τα άλλα τυπικού λέιζερ_CO2. Η θερμοκρασία της κλίνης εκτύπωσης ρυθμίστηκε στους 177,5 °C.

Πώς να προσδιορίσετε τη θερμική διαστολή των τρισδιάστατα εκτυπωμένων δειγμάτων

Στο NETZSCH Analyzing & Testing, τα μη γεμισμένα δείγματα καθώς και τα δείγματα που ήταν γεμισμένα με 5 wt% κοίλες γυάλινες χάντρες αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας το NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Προκειμένου να προσδιοριστεί ο συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE), κόπηκαν δείγματα από δείγματα σκυλοκόκκαλων σε τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις, Σχήμα 1.

Οι διαστάσεις των δειγμάτων στη διεύθυνση x και y είναι 10x5x3,2 ^mm3 και στη διεύθυνση z 3,2x5x5 ^mm3. Η πυκνότητα των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν για τις μετρήσεις ΤΜΑ ήταν 0,974 ^g/cm3 για το μη πληρωμένο και 0,932 ^g/cm3 για το δείγμα με 5 wt% πληρωτικό υλικό. Αυτό δείχνει ότι η πυκνότητα και συνεπώς το βάρος ενός τεμαχίου δεν επηρεάζεται από την προσθήκη γυάλινων σφαιριδίων.

Η θερμική διαστολή μετρήθηκε σε ένα εύρος από -20 έως 170ºC με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min. Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Ισοτροπική θερμική διαστολή

Το γράφημα που προκύπτει για τη μέτρηση του δείγματος με γυάλινα σφαιρίδια 5 % κ.β. παρουσιάζεται στο Σχήμα 2. Φαίνεται ότι η θερμική διαστολή είναι σχεδόν ισοτροπική, όπως θα αναμενόταν με τέτοια τρισδιάστατα πληρωτικά υλικά με λόγο διαστάσεων κοντά στο 1. Ωστόσο, φαίνεται επίσης ότι η διαστολή μέσω του πάχους των τεμαχίων στην κατεύθυνση z είναι χαμηλότερη από ό,τι για τις άλλες δύο κατευθύνσεις. Αυτό θα μπορούσε να σχετίζεται με φαινόμενα πορώδους μεταξύ των στρώσεων ή με αλλαγές στην αντοχή συγκόλλησης εντός μιας στρώσης σε σύγκριση με την αντοχή μεταξύ των στρώσεων.

Μια ένδειξη της εγκυρότητας αυτής της υπόθεσης δίνεται από πρόσθετα αποτελέσματα μηχανικών δοκιμών από τη μελέτη [1]. Το researcτης έδειξε ότι με την αύξηση της περιεκτικότητας σε πληρωτικό υλικό έως και 5 % κ.β., η ευθραυστότητα των δοκιμίων αυξανόταν λόγω πορώδους.

Οι συγγραφείς έδειξαν επίσης ότι τα πληρωτικά δρουν ως θέσεις πυρηνοποίησης και επηρεάζουν τη συμπεριφορά κρυστάλλωσης της σκόνης PA12 [1]. Το ίδιο αποτέλεσμα παρατηρήθηκε και με τα σφαιρίδια χαλκού ως πληρωτικά υλικά και η απαιτούμενη ανάλυση DSC εξηγείται εδώ!

Σχετικά με το Κέντρο Μηχανικής Πολυμερών

arcΤα ενδιαφέροντα του PEC κυμαίνονται από τα παραδοσιακά πλαστικά και τα πολυμερή/μεταλλικά σύνθετα υλικά έως τα πολυμερή και τα σύνθετα υλικά βιολογικής προέλευσης, από τις συμβατικές έως τις αναδυόμενες και καινοτόμες διεργασίες, από τη γεωμετρική μοντελοποίηση και την κατασκευή πρωτοτύπων έως τον έλεγχο και την αυτοματοποίηση της διαδικασίας, από τα νανοφίλμ και τα νανοσύνθετα υλικά έως τα μικροκυτταρικά πλαστικά, και από την προηγμένη μοντελοποίηση και προσομοίωση έως τα εργαλεία που βασίζονται στο Διαδίκτυο και τον Παγκόσμιο Ιστό για το σχεδιασμό και την κατασκευή.

Πηγές

[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