SLS部品の収縮に及ぼす等方性フィラーの影響

ポリマーは収縮する。収縮の大部分はポリマー加工の冷却段階で起こる。加工条件によっては、温度や含水率が安定するまで、あるいは使用中に再結晶化や緩和効果が起こるまで、完成したプラスチック部品はごくわずかに収縮し続ける。ポリマーの収縮を抑え、寸法安定性を高める方法として、無機フィラーの添加がある。これは従来のポリマー加工では一般的な方法であったが、積層造形の分野でも取り入れられている。例えば、選択的レーザー焼結（SLS）プロセスなどである。

積層造形に適したフィラーガラスビーズ

収縮を最大限に抑えつつ、加工との相互作用を可能な限り小さくするためには、ポリマー粉末そのものと同様のサイズまたはサイズ分布を持つ等方性のビーズ状充填材を使用することができる。

SLSで使用されるこのような充填材は、ガラスビーズであり、特にポリマーの軽量化の可能性を打ち消さない中空ガラスビーズである。

充填された系（_ac）の熱膨張は、ほぼ混合則に従う：

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

ここで、mはマトリックス、fはフィラー、Vは体積分率（％）を示す。

ガラスを充填したPA12粉末の3Dプリント試料

この試料は、ウィスコンシン大学マディソン校のポリマーエンジニアリングセンター（PEC）の研究者らによる研究[1]の一環として作製された。彼らは、一般的な_CO2レーザーの代わりにダイオードレーザーを備えたSinterit LisaデスクトップSLSプリンターで、ガラスビーズ（真密度＝0.456g^/cm3）とPA12パウダー（密度＝0.95g^/cm3）の異なる混合物を使用した。プリントベッド温度は177.5℃に設定した。

3Dプリント試料の熱膨張を測定する方法

NETZSCH Analyzing & Testing社では、NETZSCH TMA 402F1 Hyperion^® を用いて、未充填試料および5 wt%の中空ガラスビーズを充填した試料の分析を行った。熱膨張係数（CTE）を測定するため、図1に示すように、犬の骨から試料を3方向に切断した。

試料の寸法は、x方向とy方向が10x5x3.2 mm³、z方向が3.2x5x5^mm3である。TMA測定のために作製した試料の密度は、未充填で0.974 g^/cm3、5 wt%のフィラーを添加した試料で0.932 g/^cm3であった。 このことから、部品の密度、ひいては重量は、ガラスビーズの添加によって影響を受けないことがわかる。

熱膨張は-20～170℃の範囲で5K/分の加熱速度で測定した。すべての測定条件を以下の表にまとめた：

表1：測定条件

等方熱膨張

アスペクト比が1に近いこのような3Dフィラーでは、熱膨張はほぼ等方的であることが予想されるが、z方向の部品の厚みを通る膨張は、他の2方向よりも小さいことがわかる。これは、層間の空隙効果や、層間と比べた層内の結合強度の変化に関係している可能性がある。

この仮説の妥当性を示す指標は、研究[1]から得られた追加の機械的試験結果によって与えられる。研究者らは、フィラー含有量が5wt%まで増加すると、空隙率に起因して試料の脆性が増加することを示した。

著者らは、フィラーが核生成サイトとして働き、PA12粉末の結晶化挙動に影響を与えることも示した[1]。フィラーとして銅球を用いても同様の効果が観察されたので、必要なDSC分析について説明する！

高分子工学センターについて

PECの研究対象は、従来のプラスチックや高分子・金属複合材料からバイオベースポリマーや複合材料まで、従来のプロセスから新たな革新的プロセスまで、幾何学的モデリングやプロトタイピングからプロセス制御や自動化まで、ナノフィルムやナノ複合材料からマイクロセルラープラスチックまで、高度なモデリングやシミュレーションから設計や製造のためのインターネットやウェブベースのツールまで、多岐にわたる。

情報源

[1] Klett, J., Osswald, T.A., Cholewa, S., 選択的レーザー焼結用ガラスバブル iM16K ポリアミド 12 複合材料の検討, ANTEC conference 2020, March 31, 2020.