Het schatten van restspanningen in SLS-onderdelen met behulp van DMA

Daarom moet hun maatnauwkeurigheid hoog zijn om tijdens hun levensduur goed te passen in grotere assemblages. Bij gebruik bij hoge temperaturen kunnen restspanningen schadelijk zijn voor de prestaties van het onderdeel. Om restspanningen beter te begrijpen, is kennis van de modulus van een materiaal nodig.

De modulus van materialen zoals polymeren wordt meestal gemeten in statische mechanische tests, waarbij het spanning-rek gedrag tijdens een trektest wordt uitgezet en de elasticiteitsmodulus wordt berekend als de helling van de curve tussen 0,05...0,25% rek. Het kan worden gebruikt voor kwaliteitsborging, materiaalontwikkeling en -optimalisatie en voor sommige maatvoeringstaken. Het kan echter niet gebruikt worden voor componentontwerp en simulatie.

Hiervoor is het belangrijk om tijd- en temperatuurafhankelijke gegevens te verkrijgen die het materiaalgedrag over de levensduur bij realistische belastingscondities voorspellen. De methode van keuze is Dynamic-Mechanical Analysis (DMA), waarbij het monster wordt onderworpen aan een sinusvormige belasting en de visco-elastische respons van het materiaal wordt gedetecteerd. Door de temperatuur en frequentie van de meting te variëren, kunnen ook de temperatuur- en tijdsafhankelijkheid worden geanalyseerd.

Om de ontwikkeling van de eigenschappen van SLS-onderdelen tijdens het printen te begrijpen, en in het bijzonder krimp en vervorming, is een temperatuurafhankelijke DMA-meting nodig. Tijdens de constante cyclus van poedercoaten en lasersmelten verandert de temperatuur in het onderdeel voortdurend en ontstaat er een temperatuurgradiënt van de onderkant van het onderdeel naar de bovenkant. Dit kan vervorming veroorzaken, wat wordt uitgelegd in dit eerdere bericht over thermische uitzetting.

Hoe restspanningen bepalen met DMA

Om de temperatuursafhankelijke modulusgegevens te verkrijgen, werden in het Institute of Polymer Technology (LKT) van de Universiteit Erlangen-Neurenberg hondenbotmonsters geprint met PA12-poeder met standaardparameters van 0,4 ^J/mm3. Vervolgens werden de monsters voorbereid op NETZSCH Analyzing & Testing door de middelste stukken van deze hondenbotten op een lengte van 50 mm te snijden, wat resulteert in balken met afmetingen van 50 mm x 10 mm x 4,5 mm. Hoewel het oppervlak de typische ruwheid van SLS-onderdelen vertoont, werd er geen extra oppervlaktebehandeling gekozen omdat de oppervlakken vlakparallel waren.

De proefstukken werden vervolgens geladen in de 40 mm brede buigopstelling van de NETZSCH DMA 242 E Artemis. Na een eerste afkoelings- en evenwichtsstap werden de proefstukken verwarmd van -50°C tot 180°C met 2 K/min, net onder de Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur van het materiaal. Alle meetomstandigheden zijn samengevat in de volgende tabel:

Tabel 1: Meetomstandigheden

De elastische respons is het belangrijkst

Figuur 2 toont de meetresultaten van opslagmodulus E', Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus E" en de dempingsfactor tand. Ze tonen het typische gedrag van een semikristallijn thermoplastisch materiaal. De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus vertoont een daling bij de overgangstemperaturen, glasovergang en Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten, en de Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus en tand vertonen een maximum. De factor die voor de analyse wordt gebruikt, wordt gekozen op basis van het effect dat het meest van belang is. Om krimp en opbouw van restspanningen te begrijpen, is de elastische respons (E') het belangrijkst en deze zal hier worden geanalyseerd.

Met toenemende temperatuur neemt de elasticiteitsmodulus voortdurend af. De waarde van E' bij kamertemperatuur is 1438 MPa. Het gegevensblad van het gemeten monster toont meestal andere waarden (hier: 1650 MPa) omdat de elasticiteitsmodulus in trek wordt gemeten. Tijdens een DMA meting in buigmodus werken zowel de druk- als trekbelasting op het monster, vooral bij het meten van dikkere monsters. Het begin van de glasovergang werd bepaald op 27°C. Na de daling van de modulus dalen de waarden verder van 500 MPa tot 114 MPa bij het begin van Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten (167°C).

Terwijl de waarde van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus E' net onder het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt erg belangrijk is voor een succesvol printproces, is het hele verloop belangrijk tijdens de afkoelfase. Door de grote verandering in modulus bij de glasovergang moet het afkoelproces zeer langzaam verlopen (> 12 uur voor de hele constructie) om kromtrekken en opbouw van restspanningen tijdens deze fase te verminderen of te elimineren. Inzicht in dit gedrag kan helpen om het proces te optimaliseren en mogelijk deze tijdrovende processtap te versnellen.

Over het Instituut voor Polymeertechnologie (LKT)

Het Institute of Polymer Technology is een academisch onderzoeksinstituut aan de Friedrich-Alexander Universiteit van Erlangen-Nürnberg. Het is een van de leiders op het gebied van onderzoek naar Additive Manufacturing, met name SLS. Andere belangrijke onderzoeksgebieden zijn lichtgewicht ontwerp en FRP, materialen en verwerking, verbindingstechnologie en tribologie. Naast deze onderzoeksgebieden werkt het instituut ook aan interdisciplinaire onderwerpen zoals samenstelling van vulmateriaal, simulatie van verwerking en toepassingen, stralingsvernette thermoplasten, zachte verwerking en nog veel meer.