필러가 정렬을 통해 SLS 부품의 등방성 또는 이방성 거동을 향상시키는 방법

폴리머는 수축합니다. 대부분의 수축은 폴리머 가공의 냉각 단계에서 발생합니다. 수축을 줄이는 방법은 필러를 추가하는 것입니다. 필러의 장점은 이전 글에서 설명했습니다.

필러를 추가하면 기계적 성능이 향상됩니다. 구성 요소의 강도에 영향을 미치려면 필러의 임계 길이가 필요하지만, 종횡비가 small 인 필러를 사용하면 강성이 이미 증가합니다. 에를랑겐-뉘른베르크 대학의 폴리머 기술 연구소[1]에서 수행한 연구에서 열 전도성 구리 필러와 PA12 분말을 다양한 부피 함량으로 혼합하여 특성 및 성능의 변화를 평가했습니다.

동적 기계 해석으로 강성 변화 분석하기

필러 형상 및 필러 함량에 따라 강성 또는 모듈러스가 어떻게 변화하는지 이해하기 위해 동적 기계 분석(DMA )을 사용할 수 있습니다. NETZSCH 분석 및 테스트에서 비충진 샘플과 구리 구(5 및 10 vol%) 및 구리 플레이크(5 vol%)로 채워진 샘플을 NETZSCH DMA 242 E Artemis를 사용하여 분석했습니다.

시료 준비 및 측정 조건

개 뼈 표본에서 50mmx10mmx4.5mm의 샘플을 절단했습니다. 이 측정 방법은 편차에 매우 민감하므로 샘플 두께가 균일한지 특별히 주의해야 합니다. 예를 들어, SLS 공정에서는 파우더 베드 내부의 용융물이 너무 뜨거워 고체 입자가 표면에서 소결되기 시작할 때 부품의 측면 성장이 발생할 수 있습니다. 이 샘플에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았기 때문에 추가적인 표면 처리가 필요하지 않았습니다.

측정을 위해 샘플을 폭 40mm의 굴곡 고정 장치에 넣었습니다. 초기 냉각 및 평형화 단계를 거친 후, 샘플을 재료의 용융 온도 바로 아래이며 가능한 모든 사용 조건을 포괄하는 -50°C에서 180°C까지 2K/min으로 가열했습니다. 모든 측정 조건은 다음 표에 요약되어 있습니다:

표 1: 측정 조건

구리 필러가 저장 탄성률에 미치는 영향

깔끔한 PA12의 결과와 SLS 부품의 휨에 미치는 영향은 여기에서 확인할 수 있습니다.

그림 1의 그래프는 깔끔한 PA12와 5 및 10 vol% 구리 구 및 5 vol% 구리 플레이크가 포함된 샘플의 저장 탄성률 곡선 E'를 보여줍니다. 모든 샘플의 일반적인 거동은 매우 유사하다는 것을 알 수 있습니다. 또한 유리 전이 및 용융 시 모듈러스 강하가 시작되는 시점은 각각 2°C와 4°C의 좁은 온도 범위에서 발생합니다.

다양한 샘플의 모듈러스 값을 살펴보면 예상대로 깔끔한 PA12의 값이 가장 낮습니다(예: 27.5°C에서 1480 MPa, 167.7°C에서 135 MPa). 5 vol% Cu 구체로 채워진 샘플의 모듈러스는 약간 더 높은 값을 보여줍니다. 10 vol% Cu 구체에서는 상당한 증가가 관찰되는데, 이는 가로세로비가 1인 필러도 충분히 높은 필러 함량을 사용하면 재료의 강성을 증가시킬 수 있음을 보여줍니다. 그러나 가장 높은 모듈러스 값은 5 vol% 구리 플레이크(예: 26.7°C에서 2278 MPa)에서 얻을 수 있음을 알 수 있습니다. 유리 전이가 시작될 때의 이 계수는 깔끔한 PA12에 비해 플레이크에서 54% 더 높습니다. 이는 굴곡 고정장치의 테스트 축과 정렬된 xy 평면에서 플레이크의 우세한 방향으로 설명할 수 있습니다. 이 문서에서는 플레이크의 우세한 방향을 표시하고 분석했습니다.

구리 필러가 손실 계수 및 탄 δ에 미치는 영향

그림 2는 그림 1에 표시된 것과 동일한 샘플의 손실 계수 E"와 탄 δ의 결과를 보여줍니다.

이 결과는 또한 특징적인 최대값이 조사된 샘플의 변화와 무관하다는 것을 보여줍니다.

머티리얼 성능을 성공적으로 수정하는 방법

측정 결과, 가로 세로 비율에 관계없이 필러를 추가하면 SLS 부품의 강성이 증가한다는 것이 확인되었습니다. 또한 Cu 플레이크와 같이 종횡비가 높은 필러의 경우 small 필러 함량이 54% 증가하는 등 상당한 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났습니다. 이는 완전히 새로운 폴리머로 변경하지 않고도 재료 성능을 수정하는 데 사용할 수 있으며, 이는 SLS 공정에서 처리하기 어려울 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.

출처

[1] 란츨, L., 우디, K., 그레이너, S., 드러머 D., 구리 충전 폴리아미드 12의 선택적 레이저 소결: 분말 특성 및 공정 거동의 특성화, 폴리머 컴포지트, 1801-1809페이지, 2019