Comment les charges augmentent le comportement isotrope ou anisotrope des pièces SLS grâce à leur alignement

Les polymères rétrécissent. La majeure partie du rétrécissement se produit lors de l'étape de refroidissement de la transformation du polymère. L'ajout de charges est un moyen de réduire le rétrécissement. Les avantages ont été examinés dans un article précédent.

L'ajout de charges entraîne une augmentation des performances mécaniques. Alors qu'une longueur critique des charges est nécessaire pour avoir un effet sur la résistance des composants, la rigidité est déjà augmentée avec des charges ayant un rapport d'aspect de small. Dans une étude réalisée par l'Institut de technologie des polymères de l'Université d'Erlangen-Nuremberg [1], des charges de cuivre thermoconductrices ont été mélangées à de la poudre de PA12 dans des volumes variables afin d'évaluer le changement de propriétés et de performances.

Analyse des changements de rigidité avec l'analyse mécanique dynamique

Pour comprendre comment la rigidité ou le module changent en fonction de la géométrie et du contenu de la charge, l'analyse mécanique dynamique (DMA) peut être utilisée. Sur le site NETZSCH Analyzing & Testing, des échantillons non remplis ainsi que des échantillons remplis de sphères de cuivre (5 et 10 % vol) et de paillettes de cuivre (5 % vol) ont été analysés à l'aide de l'appareil NETZSCH DMA 242 E Artemis.

Préparation de l'échantillon et conditions de mesure

Des échantillons de 50 mm x 10 mm x 4,5 mm ont été découpés dans des spécimens d'os de chien. Il convient de veiller tout particulièrement à ce que l'épaisseur de l'échantillon soit uniforme, car cette méthode de mesure est très sensible à tout écart. Dans le processus SLS, par exemple, une croissance latérale des pièces peut se produire lorsque la matière fondue à l'intérieur du lit de poudre est si chaude que des particules solides commencent à se fritter sur la surface. Ce phénomène n'a pas été observé dans ces échantillons et aucun traitement de surface supplémentaire n'a donc été nécessaire.

Pour la mesure, les échantillons ont ensuite été chargés dans le dispositif de flexion de 40 mm de large. Après une étape initiale de refroidissement et d'équilibrage, les échantillons ont été chauffés de -50°C à 180°C à une vitesse de 2 K/min, ce qui est juste en dessous de la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion du matériau et couvre toutes les conditions de service possibles. Toutes les conditions de mesure sont résumées dans le tableau suivant :

Tableau 1 : Conditions de mesure

Influence des charges de cuivre sur le module de stockage

Les résultats du PA12 pur et leur effet sur le gauchissement des pièces SLS peuvent être consultés ici.

Le graphique de la figure 1 montre la courbe du module de stockage E' pour le PA12 pur ainsi que pour les échantillons contenant 5 et 10 % de sphères de cuivre et 5 % de paillettes de cuivre. On peut voir que le comportement général de tous les échantillons est très similaire. En outre, le début de la chute du module à la transition vitreuse et à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion se produit dans des plages de température étroites de 2°C et 4°C, respectivement.

L'examen des valeurs de module des différents échantillons montre - comme prévu - les valeurs les plus faibles du PA12 pur (par exemple, 1480 MPa à 27,5°C et 135 MPa à 167,7°C). Le module des échantillons remplis de 5 % de sphères de Cu présente des valeurs légèrement plus élevées. Une augmentation significative est observée avec des sphères de Cu à 10 %, ce qui montre que même les charges ayant un rapport d'aspect = 1 peuvent augmenter la rigidité du matériau lorsqu'une teneur en charge suffisamment élevée est utilisée. Toutefois, on constate que les valeurs de module les plus élevées sont obtenues avec des paillettes de cuivre de 5 % (par exemple, 2278 MPa à 26,7 °C). Ce module au début de la transition vitreuse est 54% plus élevé avec les paillettes qu'avec le PA12 pur. Cela peut s'expliquer par l'orientation prédominante des paillettes dans le plan xy, qui est aligné avec l'axe de test dans le dispositif de flexion. L'orientation prédominante des paillettes a été montrée et analysée dans cet article.

Influence des charges de cuivre sur le module de perte et le tan δ

La figure 2 montre les résultats du Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte E" et tan δ des mêmes échantillons que ceux présentés dans la figure 1.

Ces résultats montrent également que les maxima caractéristiques sont indépendants des variations de l'échantillon étudié.

Comment modifier avec succès les performances des matériaux

Les mesures confirment que la rigidité des pièces SLS est augmentée par l'ajout de charges, quel que soit leur rapport d'aspect. Il est en outre démontré que pour les charges ayant des rapports d'aspect plus élevés, telles que les paillettes de Cu, même des teneurs en charges de small peuvent avoir une influence significative, telle qu'une augmentation de 54 % du module. Ceci peut être utilisé pour modifier les performances du matériau sans passer à un polymère complètement nouveau, qui pourrait être difficile à traiter dans le processus SLS.

À propos de l'Institut de technologie des polymères (LKT)

L'Institut de technologie des polymères est un institut de recherche universitaire de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg. Il est l'un des leaders de la recherche sur la fabrication additive, en particulier sur le SLS. Outre ces domaines de recherche, l'institut travaille également sur des sujets interdisciplinaires tels que le mélange de matériaux d'apport, la simulation du traitement et des applications, les thermoplastiques réticulés par rayonnement, le traitement doux et bien d'autres encore.

Sources

[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