등방성 필러가 SLS 부품의 수축에 미치는 영향

폴리머는 수축합니다. 대부분의 수축은 폴리머 가공의 냉각 단계에서 발생합니다. 가공 조건에 따라 완성된 플라스틱 부품은 온도와 수분 함량이 안정화될 때까지 또는 사용 중에 재결정화 또는 이완 효과가 발생할 경우 아주 약간 계속 수축할 수 있습니다. 폴리머의 수축을 줄이고 치수 안정성을 높이는 방법은 무기 필러를 첨가하는 것입니다. 이는 기존 폴리머 공정에서 일반적으로 사용되어 왔지만 적층 제조 커뮤니티에서도 선택적 레이저 소결(SLS) 공정과 같은 방식으로 채택되고 있습니다.

적층 제조에 적합한 필러: 유리 비드

수축을 최대한 줄이되 가공과의 상호작용을 최소화하기 위해 폴리머 분말 자체와 비슷한 크기 또는 크기 분포를 가진 등방성 비드형 필러를 사용할 수 있습니다.

SLS에 사용되는 이러한 필러 재료는 유리 비드, 특히 폴리머의 경량 잠재력을 상쇄하지 않는 중공 유리 비드입니다.

충전된 시스템의 열팽창(_ac)은 대략 혼합물 법칙을 따릅니다:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

여기서 m은 매트릭스를, f는 필러를, V는 부피 비율(%)을 나타냅니다.

유리로 채워진 PA12 분말의 3D 프린팅 샘플

이 샘플은 위스콘신-매디슨 대학교 폴리머 엔지니어링 센터(PEC) 연구원들의 연구[1]의 일부로 준비되었습니다. 연구진은 일반적인_CO2 레이저 대신 다이오드 레이저가 장착된 Sinterit Lisa 데스크탑 SLS 프린터에서 유리 구슬(실제 밀도 = 0.^456g/cm3)과 PA12 분말(밀도 = 0.^95g/cm3)의 다양한 혼합물을 사용했습니다. 프린트 베드 온도는 177.5°C로 설정했습니다.

3D 프린팅 샘플의 열팽창을 확인하는 방법

NETZSCH 분석 및 테스트에서 5 wt% 중공 유리 구슬로 채워진 샘플과 비충진 샘플을 NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^® 를 사용하여 분석했습니다. 열팽창 계수(CTE)를 측정하기 위해 개뼈 시료에서 세 가지 방향으로 시료를 절단했습니다(그림 1).

샘플의 x 및 y 방향 치수는 10x5x3.^2mm3, z 방향 치수는 3.^{2x5x5mm3입니다}. TMA 측정을 위해 준비된 샘플의 밀도는 비충진 샘플의 경우 0.^974g/cm3, 5wt% 필러를 사용한 샘플의 경우 0.^{932g/cm3이었습니다}. 이는 부품의 밀도와 무게가 유리 구슬의 첨가에 영향을 받지 않음을 보여줍니다.

열팽창은 -20~170ºC 범위에서 5K/min의 가열 속도로 측정했습니다. 모든 측정 조건은 다음 표에 요약되어 있습니다:

표 1: 측정 조건

등방성 열팽창

유리 구슬이 5wt%인 샘플을 측정한 결과 그래프는 그림 2에 나와 있습니다. 가로세로비가 1에 가까운 3D 필러에서 예상되는 것처럼 열 팽창이 거의 등방성임을 알 수 있습니다. 그러나 부품 두께에 따른 z 방향의 팽창이 다른 두 방향보다 낮다는 것도 알 수 있습니다. 이는 레이어 간의 다공성 효과 또는 레이어 간보다 레이어 내에서의 결합 강도의 변화와 관련이 있을 수 있습니다.

이 가정이 타당하다는 증거는 연구 [1]의 추가 기계적 테스트 결과를 통해 알 수 있습니다. 연구진은 필러 함량이 최대 5wt%까지 증가함에 따라 다공성으로 인해 샘플의 취성이 증가한다는 것을 보여주었습니다.

저자들은 또한 필러가 핵 형성 부위로 작용하여 PA12 분말의 결정화 거동에 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다 [1]. 필러로서 구리 구체에서도 동일한 효과가 관찰되었으며 필요한 DSC 분석이 여기에 설명되어 있습니다!

폴리머 엔지니어링 센터 소개

PEC의 연구 분야는 전통적인 플라스틱과 폴리머/금속 복합재에서 바이오 기반 폴리머 및 복합재, 기존 공정에서 새로운 혁신 공정, 기하학적 모델링 및 프로토타이핑에서 공정 제어 및 자동화, 나노 필름 및 나노 복합재에서 마이크로셀 플라스틱, 고급 모델링 및 시뮬레이션에서 인터넷 및 웹 기반 설계 및 제조 툴에 이르기까지 매우 다양합니다.

출처

[1] Klett, J., Osswald, TA, Cholewa, S., 선택적 레이저 소결용 유리 기포 iM16K 폴리아미드 12 복합재 조사, ANTEC 컨퍼런스 2020, 2020년 3월 31일, 2020