Wpływ wypełniaczy izotropowych na kurczliwość części SLS

Polimery kurczą się. Większość skurczu ma miejsce podczas etapu chłodzenia podczas przetwarzania polimeru. W zależności od warunków przetwarzania, gotowa część z tworzywa sztucznego może nadal kurczyć się bardzo nieznacznie, aż do ustabilizowania się temperatury i zawartości wilgoci lub podczas użytkowania, jeśli wystąpią efekty rekrystalizacji lub relaksacji. Sposobem na zmniejszenie skurczu i zwiększenie stabilności wymiarowej polimerów jest dodanie nieorganicznych wypełniaczy. SelectChociaż jest to powszechna praktyka w konwencjonalnym przetwarzaniu polimerów, została ona również przyjęta przez społeczność zajmującą się wytwarzaniem przyrostowym; na przykład w procesie spiekania laserowego (SLS).

Odpowiednie wypełniacze do produkcji addytywnej: Kulki szklane

Aby uzyskać maksymalną redukcję skurczu, ale najniższą możliwą interakcję z przetwarzaniem, można zastosować izotropowe wypełniacze w kształcie kulek, które mają podobny rozmiar lubReakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład wielkości jak sam proszek polimerowy.

Takimi materiałami wypełniającymi stosowanymi w SLS są kulki szklane, a w szczególności puste kulki szklane, które nie przeciwdziałają potencjałowi lekkości polimerów.

Rozszerzalność cieplna wypełnionego układu (_ac) jest w przybliżeniu zgodna z zasadą mieszaniny:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

gdzie m oznacza matrycę, f oznacza wypełniacz, a V jest ułamkiem objętościowym w %.

próbki do druku 3D z proszku PA12 wypełnionego szkłem

Próbki zostały przygotowane w ramach badania [1] przeprowadzonego przezarchers w Centrum Inżynierii Polimerów (PEC) na Uniwersytecie Wisconsin-Madison. Wykorzystali oni różne mieszanki szklanych kulek (gęstość rzeczywista = 0,456 ^g/cm3) z proszkiem PA12 (gęstość = 0,95 ^g/cm3) w stacjonarnej drukarce SLS Sinterit Lisa z laserem diodowym zamiast typowego lasera_CO2. Temperatura stołu drukującego została ustawiona na 177,5°C.

Jak określić rozszerzalność cieplną wydrukowanych próbek 3D?

Na stronie NETZSCH Analyzing & Testing próbki niewypełnione, jak również próbki wypełnione pustymi szklanymi kulkami o masie 5% wag. zostały przeanalizowane przy użyciu urządzenia NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. W celu określenia współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE), próbki zostały wycięte z kości psa w trzech różnych kierunkach, rysunek 1.

Wymiary próbek w kierunku x i y wynoszą 10x5x3,2 ^mm3, a w kierunku z 3,2x5x5 ^mm3. Gęstość próbek przygotowanych do pomiarów TMA wynosiła 0,974 ^g/cm3 dla próbki bez wypełniacza i 0,932 ^g/cm3 dla próbki z wypełniaczem 5% wag. Pokazuje to, że dodatek szklanych kulek nie wpływa na gęstość, a tym samym na masę części.

Rozszerzalność cieplną mierzono w zakresie od -20 do 170ºC przy szybkości ogrzewania 5 K/min. Wszystkie warunki pomiarowe zostały podsumowane w poniższej tabeli:

Tabela 1: Warunki pomiaru

Izotropowa rozszerzalność cieplna

Wynikowy wykres dla pomiaru próbki z 5-procentowym udziałem perełek szklanych pokazano na rysunku 2. Można zauważyć, że rozszerzalność cieplna jest prawie izotropowa, jak można by się spodziewać w przypadku takich wypełniaczy 3D o współczynniku kształtu zbliżonym do 1. Można jednak również zauważyć, że rozszerzalność przez grubość części w kierunku z jest niższa niż w pozostałych dwóch kierunkach. Może to być związane z efektami porowatości między warstwami lub zmianami siły wiązania w warstwie w porównaniu do siły wiązania między warstwami.

Wskazaniem słuszności tego założenia są dodatkowe wyniki testów mechanicznych z badania [1]. Badaniearcwykazało, że wraz ze wzrostem zawartości wypełniacza do 5% wag. kruchość próbek wzrastała z powodu porowatości.

Autorzy wykazali również, że wypełniacze działają jako miejsca zarodkowania i wpływają na krystalizację proszku PA12 [1]. Ten sam efekt zaobserwowano w przypadku kul miedzianych jako wypełniaczy, a wymagana analiza DSC została wyjaśniona tutaj!

Informacje o Centrum Inżynierii Polimerów

Badaniaarch w PEC obejmują zakres od tradycyjnych tworzyw sztucznych i kompozytów polimerowo-metalowych do polimerów i kompozytów na bazie biologicznej; od konwencjonalnych do nowych i innowacyjnych procesów; od modelowania geometrycznego i prototypowania do kontroli i automatyzacji procesów; od nanofilmów i nanokompozytów do tworzyw mikrokomórkowych; oraz od zaawansowanego modelowania i symulacji do narzędzi internetowych i sieciowych do projektowania i produkcji.

Źródła

[1] Klett, J., Osswald, T.A., Cholewa, S., Badanie kompozytów poliamidu 12 z pęcherzykami szklanymi iM16K do spiekania laserowego Selective, konferencja ANTEC 2020, March 31, 2020