Influência de cargas isotrópicas no encolhimento de peças SLS

Os polímeros encolhem. A maior parte do encolhimento ocorre durante a etapa de resfriamento do processamento do polímero. Dependendo das condições de processamento, a peça plástica acabada pode continuar a encolher levemente até que a temperatura e o teor de umidade se estabilizem, ou durante o uso, se ocorrerem efeitos de recristalização ou RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento. Uma forma de reduzir o encolhimento e aumentar a estabilidade dimensional dos polímeros é a adição de cargas inorgânicas. SelectEmbora essa seja uma prática comum no processamento convencional de polímeros, ela também foi adotada pela comunidade de manufatura aditiva, por exemplo, no processo de SinterizaçãoA sinterização é um processo de produção para formar um corpo mecanicamente forte a partir de um pó cerâmico ou metálico. sinterização a laser (SLS).

Enchimentos adequados para a manufatura aditiva: Contas de vidro

Para obter a redução máxima do encolhimento, mas a menor interação possível com o processamento, podem ser usados enchimentos isotrópicos em forma de grânulos que tenham tamanho ou distribuição de tamanho semelhantes aos do próprio pó de polímero.

Esses materiais de preenchimento usados no SLS são esferas de vidro e, especificamente, esferas de vidro ocas que não neutralizam o potencial de peso leve dos polímeros.

A expansão térmica de um sistema preenchido (_ac) segue aproximadamente a regra da mistura:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

em que m representa a matriz, f representa o enchimento e V é a fração de volume em %.

amostras de impressão 3D de pó de PA12 preenchidas com vidro

As amostras foram preparadas como parte de um estudo [1] realizado pela pesquisaarcdela no Centro de Engenharia de Polímeros (PEC) da Universidade de Wisconsin-Madison. Eles usaram diferentes misturas de esferas de vidro (DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade real = 0,456 ^g/cm3) com pó de PA12 (DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade = 0,95 ^g/cm3) em uma impressora SLS de mesa Sinterit Lisa com um laser de diodo em vez do típico laser_{de CO2}. A temperatura da mesa de impressão foi ajustada para 177,5°C.

Como determinar a expansão térmica das amostras impressas em 3D

Na NETZSCH Analyzing & Testing, as amostras não preenchidas, bem como as amostras preenchidas com esferas de vidro ocas de 5% em peso, foram analisadas usando o NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Para determinar o coeficiente de expansão térmica (CTE), as amostras foram cortadas de espécimes de ossos de cachorro em três direções diferentes, Figura 1.

As dimensões das amostras nas direções x e y são 10x5x3,2 ^mm3 e na direção z 3,2x5x5 ^mm3. A DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade das amostras preparadas para as medições de TMA foi de 0,974 ^g/cm3 para a amostra sem enchimento e de 0,932 ^g/cm3 para a amostra com 5 wt% de enchimento, o que mostra que a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade e, portanto, o peso de uma peça não são afetados pela adição de esferas de vidro.

A expansão térmica foi medida em uma faixa de -20 a 170ºC a uma taxa de aquecimento de 5 K/min. Todas as condições de medição estão resumidas na tabela a seguir:

Tabela 1: Condições de medição

Expansão térmica isotrópica

O gráfico resultante para a medição da amostra com esferas de vidro de 5% em peso é mostrado na Figura 2. Pode-se observar que a expansão térmica é quase isotrópica, como seria de se esperar com esses enchimentos 3D com uma proporção próxima de 1. No entanto, também é possível observar que a expansão através da espessura das peças na direção z é menor do que nas outras duas direções. Isso pode estar relacionado a efeitos de porosidade entre as camadas ou a alterações na força de ligação dentro de uma camada em comparação com as camadas entre si.

Uma indicação da validade dessa suposição é dada por resultados adicionais de testes mecânicos do estudo [1]. A researchers mostrou que, com o aumento do teor de carga até 5% em peso, a fragilidade das amostras aumentou devido à porosidade.

Os autores também demonstraram que as cargas atuam como locais de nucleação e afetam o comportamento de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização do pó de PA12 [1]. O mesmo efeito foi observado com esferas de cobre como cargas e a análise DSC necessária é explicada aqui!

Sobre o Centro de Engenharia de Polímeros

arcOs interesses do PEC variam de plásticos tradicionais e compostos de polímeros/metais a polímeros e compostos de base biológica; de processos convencionais a processos emergentes e inovadores; de modelagem geométrica e prototipagem a controle e automação de processos; de nanofilmes e nanocompósitos a plásticos microcelulares; e de modelagem e simulação avançadas a ferramentas baseadas na Internet e na Web para projeto e fabricação.

Fontes

[1] Klett, J., Osswald, T.A., Cholewa, S., Investigação de bolhas de vidro em compósitos de poliamida 12 iM16K para Selective Laser Sintering, Conferência ANTEC 2020, March 31, 2020