Hoe vulstoffen het isotrope of anisotrope gedrag van SLS onderdelen vergroten door hun uitlijning

Polymeren krimpen. De meeste krimp treedt op tijdens het afkoelen van het polymeer. Een manier om krimp te verminderen is het toevoegen van vulstoffen. De voordelen hiervan werden in een vorig artikel besproken.

De toevoeging van vulstoffen leidt tot een verhoging van de mechanische prestaties. Hoewel een kritische lengte van de vulstoffen nodig is om een effect te hebben op de sterkte van componenten, neemt de stijfheid al toe met vulstoffen met een aspectratio van small. In een studie uitgevoerd door het Institute of Polymer Technology van de Universiteit van Erlangen-Nürnberg [1], werden thermisch geleidende kopervullers gemengd met PA12 poeder in verschillende volumegehaltes om de verandering in eigenschappen en prestaties te evalueren.

Analyseren van veranderingen in stijfheid met dynamische mechanische analyse

Om te begrijpen hoe de stijfheid of modulus veranderen als functie van de vulgeometrie en het vulstofgehalte, kan Dynamic Mechanical Analysis (DMA) worden gebruikt. Op NETZSCH Analyzing & Testing werden zowel ongevulde monsters als monsters gevuld met koperen bolletjes (5 en 10 vol%) en kopervlokken (5 vol%) geanalyseerd met de NETZSCH DMA 242 E Artemis.

Monstervoorbereiding en meetomstandigheden

Er werden monsters van 50mmx10mmx4,5 mm gesneden uit hondenbotmonsters. Er moet speciaal op worden gelet dat de dikte van het monster uniform is, omdat deze meetmethode erg gevoelig is voor afwijkingen. Bij het SLS-proces kan bijvoorbeeld zijdelingse groei van de onderdelen optreden als de smelt in het poederbed zo heet is dat vaste deeltjes op het oppervlak gaan SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren. Dit werd niet waargenomen bij deze monsters en dus waren er geen extra oppervlaktebehandelingen nodig.

Voor de meting werden de proefstukken vervolgens in de 40 mm brede buigopstelling geplaatst. Na een eerste afkoelings- en evenwichtsstap werden de proefstukken verwarmd van -50°C tot 180°C met 2 K/min, wat 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 ligt en alle mogelijke gebruiksomstandigheden omvat. Alle meetomstandigheden zijn samengevat in de volgende tabel:

Tabel 1: Meetomstandigheden

Invloed van kopervullers op de opslagmodulus

De resultaten van onvermengd PA12 en hun effect op kromtrekken van SLS onderdelen zijn hier te vinden.

De grafiek in figuur 1 toont de elasticiteitsmoduluscurve E' voor zowel onvermengd PA12 als de monsters met 5 en 10 vol% koperen bolletjes en 5 vol% koperen vlokken. Het is te zien dat het algemene gedrag van alle monsters zeer vergelijkbaar is. Bovendien begint de modulusdaling bij de glasovergang en bij 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). smelten binnen nauwe temperatuurbereiken van respectievelijk 2 °C en 4 °C.

Een blik op de moduluswaarden van de verschillende monsters laat - zoals verwacht - de laagste waarden van het zuivere PA12 zien (bijv. 1480 MPa bij 27,5°C en 135 MPa bij 167,7°C). De modulus van de monsters gevuld met 5 vol% Cu-bolletjes laat iets hogere waarden zien. Een significante toename wordt waargenomen met 10 vol% Cu bolletjes, wat laat zien dat zelfs vulstoffen met aspectratio = 1 de stijfheid van het materiaal kunnen verhogen als er voldoende vulstof wordt gebruikt. Het is echter te zien dat de hoogste moduluswaarden worden verkregen met 5 vol% kopervlokken (bijv. 2278 MPa bij 26,7°C). Deze modulus bij het begin van de glasovergang is 54% hoger met de vlokken vergeleken met het zuivere PA12. Dit kan worden verklaard door de overheersende oriëntatie van de vlokken in het xy-vlak, dat is uitgelijnd met de testas in de buigopstelling. De overheersende oriëntatie van vlokken werd in dit artikel getoond en geanalyseerd.

Invloed van koperen vulstoffen op de verliesmodulus en tan δ

Figuur 2 toont de resultaten van 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 E" en tan δ van dezelfde monsters als in figuur 1.

Deze resultaten tonen ook aan dat de karakteristieke maxima onafhankelijk zijn van de onderzochte monstervariaties.

Hoe je de materiaalprestaties met succes kunt wijzigen

De metingen bevestigen dat de stijfheid van de SLS onderdelen toeneemt door de toevoeging van vulstoffen, ongeacht hun aspectratio. Verder wordt aangetoond dat voor vulstoffen met een hogere aspectratio, zoals de Cu vlokken, zelfs small vulstofgehaltes een significante invloed kunnen hebben, zoals een toename van de modulus met 54%. Dit kan worden gebruikt om de prestaties van het materiaal te wijzigen zonder over te stappen op een compleet nieuw polymeer, dat mogelijk moeilijk te verwerken is in het SLS-proces.

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.

Bronnen

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., Selective Laser Sintering of Copper Filled Polyamide 12: Characterization of Powder Properties and Process Behavior, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019