Estimación de tensiones residuales en piezas SLS mediante DMA

Por lo tanto, su precisión dimensional tiene que ser alta para encajar bien en conjuntos más grandes durante su vida útil. Cuando se trabaja a temperaturas elevadas, cualquier tensión residual puede ser perjudicial para el rendimiento de la pieza. Para comprender mejor las tensiones residuales, es necesario conocer el módulo de un material.

El módulo de los materiales, incluidos los polímeros, suele medirse en ensayos mecánicos estáticos, en los que se traza el comportamiento tensión-deformación durante un ensayo de tracción y se calcula el módulo de Young como la pendiente de la curva entre 0,05...0,25% de deformación. Puede utilizarse para el aseguramiento de la calidad, el desarrollo y la optimización de materiales, así como para algunas tareas de dimensionamiento. Sin embargo, no puede utilizarse para el diseño y la simulación de componentes.

Para ello, es importante obtener datos dependientes del tiempo y la temperatura que predigan el comportamiento del material a lo largo de la vida útil en condiciones de carga realistas. El método elegido es el análisis dinámico-mecánico (DMA), que permite someter la muestra a una carga sinusoidal y detectar la respuesta viscoelástica del material. Variando la temperatura y la frecuencia de la medición, puede analizarse también la dependencia de la temperatura y el tiempo.

Para comprender la evolución de las propiedades de las piezas SLS durante la impresión y, en particular, la contracción y el alabeo, se requiere una medición DMA dependiente de la temperatura. Durante el ciclo constante de recubrimiento de polvo y fusión por láser, la temperatura cambia constantemente dentro de la pieza y se forma un gradiente de temperatura desde la parte inferior de la pieza hasta la parte superior. Esto puede causar alabeo, que se explica en este post anterior sobre la expansión térmica.

Cómo determinar las tensiones residuales mediante DMA

Para obtener los datos del módulo en función de la temperatura, se imprimieron especímenes de huesos de perro en el Instituto de Tecnología de Polímeros (LKT) de la Universidad de Erlangen-Nuremberg con polvo de PA12 utilizando parámetros estándar de 0,4 ^J/mm3. A continuación, se prepararon muestras en NETZSCH Analyzing & Testing cortando las piezas centrales de estos dogbones a 50 mm de longitud, lo que da lugar a vigas de 50 mm x 10 mm x 4,5 mm de dimensiones. Aunque la superficie presenta la rugosidad típica de las piezas SLS, no se seleccionó ningún tratamiento superficial adicional, ya que las superficies eran planoparalelas.

A continuación, las muestras se cargaron en el dispositivo de flexión de 40 mm de ancho del NETZSCH DMA 242 E Artemis. Tras una fase inicial de enfriamiento y equilibrio, las muestras se calentaron de -50°C a 180°C a 2 K/min, justo por debajo de la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión del material. Todas las condiciones de medición se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 1: Condiciones de medición

La respuesta elástica es lo más importante

La figura 2 muestra los resultados de las mediciones del módulo de almacenamiento E', el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida E" y el factor de amortiguamiento tand. Muestran el comportamiento típico de un material termoplástico semicristalino. El módulo de almacenamiento muestra una caída a las temperaturas de transición, transición vítrea y fusión, y el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida y tand muestra un máximo. El factor utilizado para el análisis se elige en función del efecto que más interese. Para comprender la contracción y la acumulación de tensiones residuales, la respuesta elástica (E') es la más importante y se analizará aquí.

Al aumentar la temperatura, el módulo de almacenamiento disminuye continuamente. El valor de E' a temperatura ambiente es de 1438 MPa. La hoja de datos de la muestra medida suele mostrar valores diferentes (aquí: 1650 MPa) porque el módulo de Young se mide en tracción. Durante una medición de DMA en modo de flexión, tanto la carga de compresión como la de tracción actúan sobre la muestra, especialmente cuando se miden muestras más gruesas. El inicio de la transición vítrea se determinó a 27°C. Tras la caída del módulo, los valores siguen disminuyendo de 500 MPa a 114 MPa en el inicio de la fusión (167°C).

Aunque el valor del módulo de almacenamiento E' justo por debajo de la fusión es muy importante para el éxito del proceso de impresión, toda la progresión es importante durante la fase de enfriamiento. Debido al gran cambio en el módulo en la transición vítrea, el proceso de enfriamiento tiene que ser muy lento (> 12 h para toda la construcción) para reducir o eliminar el alabeo y la acumulación de tensiones residuales durante esta etapa. Comprender este comportamiento puede ayudar a optimizar el proceso y acelerar potencialmente esta fase del proceso que requiere mucho tiempo.

Acerca del Instituto de Tecnología de Polímeros (LKT)

El Instituto de Tecnología de Polímeros es un instituto de investigación académica de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg. Es uno de los líderes en investigación sobre fabricación aditiva, especialmente SLS. Otras de sus principales áreas de investigación son el diseño ligero y el FRP, los materiales y el procesamiento, la tecnología de unión y la tribología. Además de estos focos de investigación, el instituto también trabaja en temas interdisciplinares como la composición de materiales de relleno, la simulación del procesamiento y las aplicaciones, los termoplásticos reticulados por radiación, el procesamiento suave y muchos más.