DMAを使用したSLS部品の残留応力の推定

そのため、耐用年数中に大きなアセンブリにうまく適合させるためには、寸法精度が高くなければならない。高温で使用される場合、残留応力は部品の性能に悪影響を及ぼす可能性があります。残留応力をより良く理解するためには、材料の弾性率に関する知識が必要です。

ポリマーを含む材料の弾性率は、一般的な静的機械試験で測定されます。この試験では、引張試験中の応力-ひずみ挙動をプロットし、0.05～0.25%ひずみの間の曲線の傾きとしてヤング率を計算します。これは、品質保証、材料開発、最適化、および一部の寸法測定作業に使用できます。しかし、部品の設計やシミュレーションには使用できません。

そのためには、現実的な荷重条件下での耐用年数にわたる材料挙動を予測する、時間と温度に依存するデータを得ることが重要です。その方法として選択されるのが動的機械解析（DMA）で、試料に正弦波状の負荷を与え、材料の粘弾性応答を検出します。測定の温度と周波数を変えることで、温度依存性と時間依存性も分析できます。

印刷中のSLS部品の特性開発、特に収縮と反りを理解するためには、温度に依存するDMA測定が必要です。粉体塗装とレーザー溶融の一定のサイクルの間、部品内の温度は常に変化し、部品の下部から上部に向かって温度勾配が形成されます。これは反りの原因となりますが、熱膨張についてはこの前の記事で説明しました。

DMAによる残留応力の測定方法

温度依存弾性率のデータを得るために、エアランゲン・ニュルンベルク大学高分子技術研究所（LKT）でPA12粉末を0.4^J/mm3の標準パラメータでドッグボーン試験片を印刷した。その後、Analyzing & Testing社（NETZSCH ）にて、これらのドッグボーンの中央部分を50mmの長さに切断し、50mm x 10mm x 4.5mmの梁となる試料を作製した。表面はSLS部品の一般的な粗さを示したが、表面は平行であったため、追加の表面処理は行わなかった。

次に、この試料を40 mm幅の曲げ治具で荷重をかけた。 NETZSCH DMA 242 E Artemis.初期冷却と平衡化ステップの後、試料を-50℃から180℃まで、材料の融点ぎりぎりの温度である2K/分で加熱した。すべての測定条件を以下の表にまとめた：

表1：測定条件

弾性反応が最も重要

図2は、貯蔵弾性率E'、損失弾性率E"、減衰係数tandの測定結果を示している。これらは、半結晶性熱可塑性材料の一般的な挙動を示している。貯蔵弾性率はガラス転移温度と融解温度で低下し、損失弾性率とtandは最大値を示します。解析に使用する係数は、最も関心のある効果に基づいて選択します。収縮と残留応力の蓄積を理解するためには、弾性応答（E'）が最も重要であり、ここではそれを分析する。

温度の上昇に伴い、貯蔵弾性率は連続的に低下する。室温でのE'の値は1438MPaである。ヤング率は引張で測定されるため、測定試料のデータシートには一般的に異なる値（ここでは1650MPa）が記載されています。曲げモードでのDMA測定では、特に厚い試料を測定する場合、圧縮荷重と引張荷重の両方が試料に作用します。ガラス転移の開始温度は27℃と決定された。弾性率の低下後、値は500MPaから融解開始時（167℃）の114MPaまでさらに低下する。

溶融直前の貯蔵弾性率E'の値は印刷プロセスを成功させるために非常に重要であるが、冷却段階での進行全体が重要である。ガラス転移では弾性率が大きく変化するため、この段階での反りや残留応力の蓄積を低減または除去するためには、冷却工程を非常にゆっくり（全印刷工程で12時間以上）行う必要があります。この挙動を理解することで、プロセスを最適化し、時間のかかるこの工程を短縮できる可能性があります。

高分子技術研究所（LKT）について

高分子技術研究所は、フリードリヒ・アレクサンダー・エアランゲン・ニュルンベルク大学の学術研究機関です。積層造形研究のリーダー的存在で、特にSLSの研究が盛んである。その他の主な研究分野は、軽量設計とFRP、材料と加工、接合技術、トライボロジーなどです。 これらの研究分野に加え、フィラー材料の配合、加工と応用のシミュレーション、放射線架橋熱可塑性プラスチック、優しい加工など、学際的なテーマにも取り組んでいます。