
08.03.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Rüdiger Sehling
DMA를 사용한 SLS 부품의 잔류 응력 예측
선택적 레이저 소결(SLS)은 구조용 플라스틱 부품을 생산하는 데 가장 많이 사용되는 적층 제조 기술 중 하나입니다. 고온에서 작동할 경우 잔류 응력이 발생하면 부품 성능에 악영향을 미칠 수 있습니다. 잔류 응력을 더 잘 이해하려면 재료의 탄성률에 대한 지식이 필요합니다. 잔류 응력에 대해 자세히 알아보고 열 분석 방법을 사용하여 재료 특성을 측정하는 방법을 알아보세요.
따라서 사용 수명 동안 더 큰 어셈블리에 잘 맞으려면 치수 정확도가 높아야 합니다. 고온에서 작동할 경우 잔류 응력은 부품 성능에 해로울 수 있습니다. 잔류 응력을 더 잘 이해하려면 재료의 계수에 대한 지식이 필요합니다.
폴리머를 포함한 재료의 계수는 일반적으로 인장 시험 중 응력-변형 거동을 플롯하고 0.05...0.25% 변형 사이의 곡선 기울기로 영 계수를 계산하는 정적 기계 테스트에서 측정됩니다. 품질 보증, 재료 개발 및 최적화는 물론 일부 치수 측정 작업에도 사용할 수 있습니다. 그러나 부품 설계 및 시뮬레이션에는 사용할 수 없습니다.
이를 위해서는 실제 하중 조건에서 서비스 수명 동안의 재료 거동을 예측하는 시간 및 온도 의존적 데이터를 확보하는 것이 중요합니다. 선택한 방법은 샘플에 정현파 하중을 가하고 재료의 점탄성 응답을 감지할 수 있는 동적-기계적 분석(DMA)입니다. 측정 온도와 주파수를 변경하면 온도와 시간 의존성도 분석할 수 있습니다.
프린팅 중 SLS 부품의 물성 변화, 특히 수축과 뒤틀림을 이해하려면 온도에 따른 DMA 측정이 필요합니다. 파우더 코팅과 레이저 용융의 일정한 사이클 동안 부품 내 온도는 지속적으로 변화하고 부품의 아래쪽에서 위쪽으로 온도 구배가 형성됩니다. 이로 인해 뒤틀림이 발생할 수 있으며, 이는 열팽창에 대한 이전 게시물에서 설명했습니다.
SLS 부품 내 잔류 응력 이해
그러나 뒤틀림의 또 다른 영향은 부품 내에 잔류 응력(σ)이 쌓이는 것으로, 이는 E 계수와 온도 구배의 영향을 받습니다. 다음과 같은 단순화된 관계가 존재합니다:

여기서 ΔT는 상단과 하단 사이의 온도 구배, d는 부품의 두께, z는 부품의 두께를 가로지르는 특정 위치를 나타냅니다. 이 관계를 통해 주어진 형상에 대해 온도 구배가 크거나 계수가 높을수록 잔류 응력이 높다는 것을 알 수 있습니다.

DMA를 사용하여 잔류 응력을 확인하는 방법
온도에 따른 탄성률 데이터를 얻기 위해 에를랑겐-뉘른베르크 대학의 고분자 기술 연구소(LKT)에서 0.4 J/mm3의 표준 파라미터를 사용하여 PA12 분말로 도그본 시편을 인쇄했습니다. 그런 다음 샘플은 NETZSCH 분석 및 테스트에서 이 도그본의 중간 조각을 50mm 길이로 절단하여 50mm x 10mm x 4.5mm 크기의 빔으로 준비했습니다. 표면은 SLS 부품의 일반적인 거칠기를 보이지만 표면이 평면 평행이기 때문에 추가적인 표면 처리는 선택하지 않았습니다.
그런 다음 샘플을 NETZSCH DMA 242 E Artemis의 40mm 폭 굴곡 고정 장치에 로드했습니다. 초기 냉각 및 평형화 단계를 거친 후, 샘플을 재료의 용융 온도 바로 아래인 -50°C에서 180°C까지 2K/min으로 가열했습니다. 모든 측정 조건은 다음 표에 요약되어 있습니다:
표 1: 측정 조건
시료 홀더 | 3점 굽힘, 스팬 길이 40mm |
비례 힘 계수 | 1.2 |
동적 하중 | 최대 10 N |
진폭 | 30 µm |
주파수 | 1Hz |
온도 범위 | 2K/min의 가열 속도에서 -50...180°C |
탄력적인 대응이 가장 중요합니다
그림 2는 저장탄성계수 E', 손실탄성계수 E", 감쇠계수 tand의 측정 결과를 보여줍니다. 이는 반결정성 열가소성 소재의 일반적인 거동을 보여줍니다. 저장 계수는 전이 온도, 유리 전이 및 용융에서 떨어지고 손실 계수 및 탠드는 최대치를 나타냅니다. 분석에 사용되는 계수는 가장 관심 있는 효과에 따라 선택됩니다. 수축 및 잔류 응력 축적을 이해하기 위해서는 탄성 응답(E')이 가장 중요하며 여기서는 이를 분석합니다.
온도가 상승함에 따라 저장 탄성률은 지속적으로 감소합니다. 실온에서의 E' 값은 1438MPa입니다. 측정된 샘플의 데이터 시트에는 일반적으로 영의 계수가 장력 상태에서 측정되기 때문에 다른 값(여기서는 1650 MPa)이 표시됩니다. 굴곡 모드에서 DMA를 측정하는 동안, 특히 두꺼운 시료를 측정할 때는 압축 하중과 인장 하중이 모두 시료에 작용합니다. 유리 전이의 시작은 27°C로 결정되었습니다. 계수가 감소한 후, 용융이 시작될 때(167°C)에는 값이 500MPa에서 114MPa로 더 감소합니다.

성공적인 프린팅 공정을 위해서는 용융 바로 아래의 저장탄성계수 E' 값이 매우 중요하지만, 냉각 단계에서는 전체 진행 과정이 중요합니다. 유리 전이 단계에서 탄성률의 큰 변화로 인해 이 단계에서 뒤틀림과 잔류 응력 축적을 줄이거나 제거하려면 냉각 프로세스를 매우 느리게(전체 제작에 12시간 이상) 진행해야 합니다. 이 동작을 이해하면 공정을 최적화하고 시간이 많이 소요되는 이 공정 단계를 가속화할 수 있습니다.
고분자 기술 연구소 (LKT) 소개
폴리머 기술 연구소는 에를랑겐-뉘른베르크 프리드리히 알렉산더 대학교의 학술 연구 기관입니다. 적층 제조 연구, 특히 SLS 분야의 선두주자 중 하나입니다. 다른 주요 연구 분야로는 경량 설계 및 FRP, 재료 및 가공, 접합 기술 및 마찰학 등이 있습니다. 이 연구소는 이러한 연구 분야 외에도 충전재 컴파운딩, 가공 및 응용 시뮬레이션, 방사선 가교 열가소성 플라스틱, 부드러운 가공 등과 같은 학제 간 주제에 대해서도 연구하고 있습니다.

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