Influencia de los rellenos isotrópicos en el encogimiento de las piezas SLS

Los polímeros encogen. La mayor parte de la contracción se produce durante la fase de enfriamiento del procesado del polímero. Dependiendo de las condiciones de procesado, la pieza de plástico acabada puede seguir encogiendo muy ligeramente hasta que la temperatura y el contenido de humedad se estabilicen, o durante el uso, si se producen efectos de recristalización o RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación. Una forma de reducir la contracción y aumentar la estabilidad dimensional de los polímeros es la adición de cargas inorgánicas. Si bien esto ha sido una práctica común en el procesamiento convencional de polímeros, también ha sido recogido por la comunidad de fabricación aditiva; por ejemplo, en el proceso de SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización selectiva por láser (SLS).

Rellenos adecuados para la fabricación aditiva: Perlas de vidrio

Para obtener la máxima reducción de la contracción, pero la menor interacción posible con el procesado, se pueden utilizar materiales de relleno isótropos en forma de perlas que tengan un tamaño o una distribución de tamaños similar a la del propio polvo polimérico.

Tales materiales de relleno utilizados en SLS son perlas de vidrio y, específicamente, perlas de vidrio huecas que no contrarrestan el potencial de peso ligero de los polímeros.

La expansión térmica de un sistema relleno (_ac) sigue aproximadamente la regla de la mezcla:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

donde m denota la matriz, f denota el relleno y V es la fracción de volumen en %.

muestras de impresión 3D de polvo de PA12 relleno de vidrio

Las muestras se prepararon como parte de un estudio [1] realizado por investigadores del Centro de Ingeniería de Polímeros (PEC) de la Universidad de Wisconsin-Madison. Utilizaron diferentes mezclas de perlas de vidrio (DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad real = 0,456 ^g/cm3) con polvo de PA12 (DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad = 0,95 ^g/cm3) en una impresora SLS de sobremesa Sinterit Lisa con un láser de diodo en lugar del láser de_CO2 típico. La temperatura del lecho de impresión se fijó en 177,5 °C.

Cómo determinar la dilatación térmica de las muestras impresas en 3D

En NETZSCH Analyzing & Testing, se analizaron muestras sin relleno y muestras rellenas con un 5% en peso de perlas de vidrio huecas utilizando el NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Para determinar el coeficiente de dilatación térmica (CTE), se cortaron muestras de especímenes de hueso de perro en tres direcciones diferentes, Figura 1.

Las dimensiones de las muestras en dirección x e y son 10x5x3,2 ^mm3 y en dirección z 3,2x5x5 ^mm3. La DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de las muestras preparadas para las mediciones de TMA fue de 0,974 ^g/cm3 para la muestra sin relleno y de 0,932 ^g/cm3 para la muestra con un 5% en peso de relleno, lo que demuestra que la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad y, por tanto, el peso de una pieza no se ven afectados por la adición de perlas de vidrio.

La expansión térmica se midió en un rango de -20 a 170ºC a una velocidad de calentamiento de 5 K/min. Todas las condiciones de medición se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 1: Condiciones de medición

Expansión térmica isótropa

El gráfico resultante para la medición de la muestra con perlas de vidrio al 5 % en peso se muestra en la Figura 2. Puede observarse que la expansión térmica es casi isótropa, como cabría esperar con tales rellenos tridimensionales con una relación de aspecto cercana a 1. Sin embargo, también puede verse que la expansión a través del grosor de las piezas en la dirección z es menor que para las otras dos direcciones. Esto podría estar relacionado con efectos de porosidad entre capas o cambios en la fuerza de adhesión dentro de una capa en comparación con entre capas.

Una indicación de la validez de esta suposición viene dada por los resultados adicionales de las pruebas mecánicas del estudio [1]. Los investigadores demostraron que al aumentar el contenido de relleno hasta el 5% en peso, la fragilidad de las muestras aumentaba debido a la porosidad.

Los autores también demostraron que las cargas actúan como sitios de nucleación y afectan al comportamiento de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización del polvo de PA12 [1]. El mismo efecto se observó con esferas de cobre como cargas, ¡y aquí se explica el análisis DSC necesario!

Acerca del Centro de Ingeniería de Polímeros

Los intereses de investigación del PEC abarcan desde los plásticos tradicionales y los compuestos de polímeros y metales hasta los polímeros y compuestos de origen biológico; desde los procesos convencionales hasta los emergentes e innovadores; desde el modelado geométrico y la creación de prototipos hasta el control y la automatización de procesos; desde las nanopelículas y los nanocompuestos hasta los plásticos microcelulares; y desde el modelado y la simulación avanzados hasta las herramientas de diseño y fabricación basadas en Internet y la Web.

Fuentes

[1] Klett, J., Osswald, T.A., Cholewa, S., Investigation of glass bubbles iM16K polyamide 12 composites for Selective Laser Sintering, conferencia ANTEC 2020, 31 de marzo de 2020