Isotrooppisten täyteaineiden vaikutus SLS-osien kutistumiseen

Polymeerit kutistuvat. Suurin osa kutistumisesta tapahtuu polymeerin käsittelyn jäähdytysvaiheessa. Käsittelyolosuhteista riippuen valmis muoviosuus voi jatkaa kutistumistaan hyvin vähän, kunnes lämpötila ja kosteuspitoisuus tasaantuvat, tai käytön aikana, jos tapahtuu uudelleenkiteytymistä tai relaksaatioilmiöitä. Yksi tapa vähentää kutistumista ja lisätä polymeerien mittapysyvyyttä on epäorgaanisten täyteaineiden lisääminen. Tämä on ollut yleinen käytäntö tavanomaisessa polymeerien käsittelyssä, mutta myös additiivinen valmistusyhteisö on ottanut sen käyttöön, esimerkiksi SLS-prosessissa (Selective Laser Sintering).

Additiiviseen valmistukseen soveltuvat täyteaineet: Lasihelmet

Jotta kutistuminen vähenisi mahdollisimman paljon mutta vuorovaikutus käsittelyn kanssa olisi mahdollisimman vähäistä, voidaan käyttää isotrooppisia, helmiäismuotoisia täyteaineita, joiden koko tai kokojakauma on samanlainen kuin itse polymeerijauheen.

Tällaisia SLS:ssä käytettäviä täyteaineita ovat lasihelmet ja erityisesti onttoja lasihelmiä, jotka eivät vaikuta polymeerien keveyspotentiaaliin.

Täytetyn järjestelmän lämpölaajeneminen (_ac) noudattaa suunnilleen seossääntöä:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

jossa m tarkoittaa matriisia, f täyteainetta ja V tilavuusosuutta prosentteina.

3D-tulostusnäytteet lasilla täytetystä PA12-jauheesta

Näytteet valmistettiin osana Wisconsin-Madisonin yliopiston Polymer Engineering Centerin (PEC) tutkijoiden tutkimusta [1]. He käyttivät erilaisia lasihelmien (todellinen TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys = 0,456 ^g/cm3) ja PA12-jauheen (TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys = 0,95 ^g/cm3) seoksia Sinterit Lisa -pöytä-SLS-tulostimessa, jossa oli diodilaser muuten tyypillisen_CO2-laserin sijaan. Tulostusalustan lämpötilaksi asetettiin 177,5 °C.

Miten määritetään 3D-tulostettujen näytteiden lämpölaajeneminen?

Osoitteessa NETZSCH Analyzing & Testing analysoitiin sekä täyttämättömät näytteet että 5 painoprosenttia onttoja lasihelmiä sisältäneet näytteet käyttäen NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Lämpölaajenemiskertoimen (CTE) määrittämiseksi näytteet leikattiin koiranluunäytteistä kolmeen eri suuntaan, kuva 1.

Näytteiden mitat x- ja y-suunnassa ovat 10x5x3,2 ^mm3 ja z-suunnassa 3,2x5x5 ^mm3. TMA-mittauksia varten valmistettujen näytteiden TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys oli 0,974 ^g/cm3 täytteettömälle näytteelle ja 0,932 ^g/cm3 näytteelle, jossa oli 5 painoprosenttia täyteainetta. Tämä osoittaa, että lasihelmien lisääminen ei vaikuta kappaleen tiheyteen eikä siten sen painoon.

Lämpölaajeneminen mitattiin alueella -20-170 ºC lämmitysnopeudella 5 K/min. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto kaikista mittausolosuhteista:

Taulukko 1: Mittausolosuhteet

Isotrooppinen lämpölaajeneminen

Tuloksena saatu kuvaaja 5 painoprosenttia lasihelmiä sisältävän näytteen mittauksesta on esitetty kuvassa 2. Voidaan nähdä, että lämpölaajeneminen on lähes isotrooppinen, kuten tällaisten 3D-täyteaineiden kohdalla, joiden kuvasuhde on lähellä 1, voidaan odottaa. Voidaan kuitenkin myös nähdä, että kappaleiden paksuuden kautta tapahtuva laajeneminen z-suunnassa on pienempi kuin kahdessa muussa suunnassa. Tämä saattaa liittyä kerrosten välisiin huokoisuusvaikutuksiin tai sidoksen lujuuden muutoksiin kerroksen sisällä verrattuna kerrosten välisiin muutoksiin.

Viitteitä tämän oletuksen paikkansapitävyydestä antavat tutkimuksen [1] mekaanisten testien lisätulokset. Tutkijat osoittivat, että täyteainepitoisuuden kasvaessa aina 5 wt-%:iin asti näytteiden hauraus lisääntyi huokoisuudesta johtuen.

Kirjoittajat osoittivat myös, että täyteaineet toimivat nukleaatiopaikkoina ja vaikuttavat PA12-jauheen kiteytymiskäyttäytymiseen [1]. Sama vaikutus havaittiin kuparipalloilla täyteaineina, ja tarvittava DSC-analyysi selitetään tässä!

Tietoa Polymeeritekniikan keskuksesta

PEC:n tutkimuskohteet vaihtelevat perinteisistä muoveista ja polymeeri-metallikomposiiteista biopohjaisiin polymeereihin ja komposiitteihin, perinteisistä prosesseista uusiin ja innovatiivisiin prosesseihin, geometrisesta mallintamisesta ja prototyyppien luomisesta prosessinohjaukseen ja automaatioon, nanokalvoista ja nanokomposiiteista mikrosoluisiin muoveihin sekä kehittyneestä mallintamisesta ja simuloinnista suunnittelun ja valmistuksen Internet- ja Web-pohjaisiin työkaluihin.

Lähteet

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