Az izotróp töltőanyagok hatása az SLS alkatrészek zsugorodására

A polimerek zsugorodnak. A zsugorodás nagy része a polimerfeldolgozás hűtési lépése során következik be. A feldolgozási körülményektől függően a kész műanyag alkatrész a hőmérséklet és a nedvességtartalom stabilizálódásáig, vagy a használat során, ha újrakristályosodás vagy RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs hatások lépnek fel, továbbra is nagyon kis mértékben zsugorodhat. A zsugorodás csökkentésének és a polimerek méretstabilitásának növelésének egyik módja a szervetlen töltőanyagok hozzáadása. Míg ez a hagyományos polimerfeldolgozásban bevett gyakorlat volt, az additív gyártás is felkapta; például a szelektív lézersinterezés (SLS) eljárásában.

Additív gyártáshoz alkalmas töltőanyagok: Üveggyöngyök

A zsugorodás maximális csökkentése, de a feldolgozással való lehető legkisebb kölcsönhatás érdekében izotróp, gyöngy alakú töltőanyagok használhatók, amelyek mérete vagy méreteloszlása hasonló, mint magáé a polimerporé.

Az SLS-ben használt ilyen töltőanyagok az üveggyöngyök és különösen az üreges üveggyöngyök, amelyek nem ellensúlyozzák a polimerek könnyűségi potenciálját.

A töltött rendszer hőtágulása (_ac) nagyjából a keverési szabályt követi:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

ahol m a mátrixot, f a töltőanyagot, V pedig a térfogatfrakciót jelöli %-ban.

üveggel töltött PA12 porból készült 3D nyomtatási minták

A mintákat a Wisconsin-Madison Egyetem Polimer Engineering Center (PEC) kutatói egy tanulmány [1] keretében készítették. Különböző üveggyöngyök (valódi SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség = 0,456 ^g/cm3) és PA12 por (SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség = 0,95 ^g/cm3) keverékeit használták egy Sinterit Lisa asztali SLS nyomtatóban, amely az egyébként jellemző_CO2 lézer helyett diódalézerrel működött. A nyomtatóágy hőmérsékletét 177,5 °C-ra állítottuk be.

Hogyan határozzuk meg a 3D nyomtatott minták hőtágulását?

A NETZSCH Analizáló és Vizsgáló cégnél a töltetlen, valamint az 5 tömegszázalék üreges üveggyöngyökkel töltött mintákat a NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^® segítségével elemezték. A hőtágulási együttható (CTE) meghatározásához a mintákat kutyacsontmintákból három különböző irányban vágták ki, 1. ábra.

A minták mérete x- és y-irányban 10x5x3,2 ^mm3, z-irányban pedig 3,2x5x5 ^mm3. A TMA mérésekhez készített minták sűrűsége 0,974 ^g/cm3 volt a töltetlen és 0,932 ^g/cm3 az 5 tömegszázalék töltőanyagot tartalmazó minta esetében. Ez azt mutatja, hogy az üveggyöngyök hozzáadása nem befolyásolja az alkatrész SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségét és ezáltal tömegét.

A hőtágulást -20 és 170 ºC közötti tartományban mértük 5 K/perc fűtési sebességgel. Az összes mérési körülményt a következő táblázat foglalja össze:

Táblázat: Mérési feltételek

Izotróp hőtágulás

Az 5 tömegszázalékos üveggyöngyöket tartalmazó minta méréséből kapott grafikon a 2. ábrán látható. Látható, hogy a hő tágulás szinte izotróp, ahogy az ilyen 3D-s töltőanyagok esetében várható lenne, amelyeknek az oldalaránya közel 1. Ugyanakkor az is látható, hogy a z irányban az alkatrészek vastagságán keresztül a tágulás kisebb, mint a másik két irányban. Ez összefügghet a rétegek közötti porozitás hatásával vagy a kötéserősség változásával egy rétegen belül a rétegek közöttihez képest.

Ennek a feltételezésnek az érvényességére utalnak a [1] tanulmányban szereplő további mechanikai vizsgálati eredmények. A kutatók kimutatták, hogy a töltőanyag-tartalom növelésével 5 tömegszázalékig a minták ridegsége a porozitás miatt nőtt.

A szerzők azt is kimutatták, hogy a töltőanyagok nukleációs helyként működnek, és befolyásolják a PA12 por kristályosodási viselkedését [1]. Ugyanezt a hatást figyelték meg a rézgömbök mint töltőanyagok esetén is, és az ehhez szükséges DSC-elemzést itt ismertetjük!

A Polimer Engineering Centerről

A PEC kutatási érdeklődési köre a hagyományos műanyagoktól és polimer/fém kompozitoktól a bioalapú polimerekig és kompozitokig, a hagyományos eljárásoktól az új és innovatív eljárásokig, a geometriai modellezéstől és prototípusgyártástól a folyamatirányításig és automatizálásig, a nanofilmektől és nanokompozitoktól a mikrocellás műanyagokig, valamint a fejlett modellezéstől és szimulációtól az internetes és webalapú tervezési és gyártási eszközökig terjed.

Források

[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