Influența umpluturilor izotrope asupra contracției pieselor SLS

Polimerii se micșorează. Cea mai mare parte a contracției are loc în timpul etapei de răcire a procesării polimerilor. În funcție de condițiile de prelucrare, piesa din plastic finită poate continua să se contracte foarte ușor până când temperatura și conținutul de umiditate se stabilizează sau în timpul utilizării, dacă apar efecte de recristalizare sau RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare. O modalitate de a reduce contracția și de a crește stabilitatea dimensională a polimerilor este adăugarea de umpluturi anorganice. Deși aceasta a fost o practică obișnuită în prelucrarea convențională a polimerilor, ea a fost preluată și de comunitatea fabricării aditive; de exemplu, în procesul de SinterizareSinterizarea este un proces de producție pentru formarea unui corp rezistent din punct de vedere mecanic dintr-o pulbere ceramică sau metalică. sinterizare selectivă cu laser (SLS).

Umpluturi adecvate pentru fabricarea aditivă: Perle de sticlă

Pentru a obține o reducere maximă a contracției, dar și o interacțiune cât mai redusă cu prelucrarea, se pot utiliza materiale de umplutură izotrope, sub formă de mărgele, care au o dimensiune sau o distribuție a dimensiunilor similară cu cea a pulberii polimerice în sine.

Astfel de materiale de umplutură utilizate în SLS sunt bilele de sticlă și în special bilele de sticlă goale care nu contracarează potențialul de greutate redusă al polimerilor.

Expansiunea termică a unui sistem umplut (_ac) urmează aproximativ regula amestecului:

_{αc=αm∙Vm+αf∙Vf}

unde m reprezintă matricea, f reprezintă umplutura, iar V este fracția volumică în %.

eșantioane de imprimare 3D de pulbere PA12 umplută cu sticlă

Probele au fost pregătite ca parte a unui studiu [1] de către cercetătorii de la Polymer Engineering Center (PEC) de la Universitatea Wisconsin-Madison. Aceștia au utilizat diferite amestecuri de mărgele de sticlă (DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate reală = 0,456 ^g/cm3) cu pulbere PA12 (DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate = 0,95 ^g/cm3) într-o imprimantă SLS de birou Sinterit Lisa cu un laser cu diode în locul laserului_CO2 tipic. Temperatura patului de imprimare a fost setată la 177,5°C.

Cum se determină dilatarea termică a probelor imprimate 3D

La NETZSCH Analyzing & Testing, probele neumplute, precum și probele umplute cu bile de sticlă goale de 5 % din greutate au fost analizate utilizând NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Pentru a determina coeficientul de dilatare termică (CTE), probele au fost tăiate din specimene de os de câine în trei direcții diferite, figura 1.

Dimensiunile probelor în direcțiile x și y sunt de 10x5x3,2 ^mm3, iar în direcția z de 3,2x5x5 ^mm3. Densitatea probelor pregătite pentru măsurătorile TMA a fost de 0,974 ^g/cm3 pentru proba fără umplutură și de 0,932 ^g/cm3 pentru proba cu 5 % greutate de umplutură, ceea ce arată că densitatea și, prin urmare, greutatea unei piese nu sunt afectate de adăugarea de perle de sticlă.

Expansiunea termică a fost măsurată într-un interval cuprins între -20 și 170ºC la o rată de încălzire de 5 K/min. Toate condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul următor:

Tabelul 1: Condiții de măsurare

Expansiune termică izotropică

Graficul rezultat pentru măsurarea probei cu 5 % în greutate perle de sticlă este prezentat în figura 2. Se poate observa că expansiunea termică este aproape izotropă, așa cum ar fi de așteptat cu astfel de umpluturi 3D cu un raport de aspect apropiat de 1. Cu toate acestea, se poate observa, de asemenea, că expansiunea prin grosimea pieselor în direcția z este mai mică decât în celelalte două direcții. Acest lucru ar putea fi legat de efecte de porozitate între straturi sau de modificări ale rezistenței de lipire în interiorul unui strat comparativ cu cele dintre straturi.

O indicație a validității acestei ipoteze este dată de rezultatele testelor mecanice suplimentare din studiul [1]. Cercetătorii au arătat că, odată cu creșterea conținutului de umplutură până la 5 % în greutate, fragilitatea probelor a crescut din cauza porozității.

Autorii au arătat, de asemenea, că substanțele de umplutură acționează ca situri de nucleare și afectează comportamentul de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare al pulberii PA12 [1]. Același efect a fost observat cu sfere de cupru ca materiale de umplutură și analiza DSC necesară este explicată aici!

Despre Centrul de Ingineria Polimerilor

Interesele de cercetare din cadrul PEC variază de la materialele plastice tradiționale și compozitele polimerice/metalice la polimerii și compozitele pe bază biologică; de la procesele convenționale la cele emergente și inovatoare; de la modelarea geometrică și prototiparea la controlul și automatizarea proceselor; de la nanofilme și nanocompozite la materialele plastice microcelulare; și de la modelarea și simularea avansate la instrumentele bazate pe internet și web pentru proiectare și producție.

Surse

[1] Klett, J., Osswald, T.A., Cholewa, S., Investigation of glass bubbles iM16K polyamide 12 composites for Selective Laser Sintering, Conferința ANTEC 2020, 31 martie 2020