Uppskattning av restspänningar i SLS-delar med hjälp av DMA

Därför måste deras måttnoggrannhet vara hög för att passa väl in i större enheter under deras livslängd. När de används vid förhöjd temperatur kan eventuella restspänningar vara skadliga för detaljens prestanda. För att bättre förstå restspänningar behövs kunskap om ett materials modul.

Modulen hos material, inklusive polymerer, mäts vanligtvis i statiska mekaniska tester, där spännings-töjningsbeteendet under ett dragprov ritas upp och Youngs modul beräknas som lutningen på kurvan mellan 0,05...0,25% töjning. Den kan användas för kvalitetssäkring, materialutveckling och optimering samt för vissa dimensioneringsuppgifter. Den kan dock inte användas för komponentdesign och simulering.

För detta är det viktigt att erhålla tids- och temperaturberoende data som förutsäger materialets beteende under livslängden vid realistiska belastningsförhållanden. Den metod som väljs är dynamisk-mekanisk analys (DMA), som innebär att provet utsätts för en sinusformad belastning och att materialets viskoelastiska respons detekteras. Genom att variera temperaturen och frekvensen för mätningen kan även temperatur- och tidsberoendet analyseras.

För att förstå SLS-delens egenskapsutveckling under tryckningen, och i synnerhet krympning och skevhet, krävs en temperaturberoende DMA-mätning. Under den konstanta cykeln med pulverlackering och lasersmältning förändras temperaturen ständigt i detaljen och en temperaturgradient bildas från detaljens botten till toppen. Detta kan orsaka skevhet, vilket förklaras i det här tidigare inlägget om termisk expansion.

Hur man bestämmer restspänningar med hjälp av DMA

För att få fram temperaturberoende moduldata trycktes dogbone-prover vid Institute of Polymer Technology (LKT) vid universitetet Erlangen-Nürnberg med PA12-pulver med standardparametrar på 0,4 ^J/mm3. Därefter förbereddes proverna på NETZSCH Analyzing & Testing genom att mittbitarna av dessa hundben kapades till 50 mm längd, vilket resulterade i balkar med måtten 50 mm x 10 mm x 4,5 mm. Trots att ytan uppvisar den typiska ojämnheten hos SLS-detaljer valdes ingen ytterligare ytbehandling, eftersom ytorna var planparallella.

Proverna laddades sedan i den 40 mm breda böjfixturen på NETZSCH DMA 242 E Artemis. Efter ett inledande kylnings- och jämviktssteg upphettades proverna från -50°C till 180°C med 2 K/min, vilket är strax under materialets Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur. Alla mätförhållanden sammanfattas i följande tabell:

Tabell 1: Mätförhållanden

Det elastiska svaret är viktigast

I figur 2 visas mätresultaten för lagringsmodulen E', förlustmodulen E" samt dämpningsfaktorn tand. De visar det typiska beteendet hos ett halvkristallint termoplastiskt material. Lagringsmodulen uppvisar en minskning vid övergångstemperaturerna, glasövergång och Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning, och förlustmodulen och tand uppvisar ett maximum. Den faktor som används för analysen väljs utifrån den effekt som är av störst intresse. För att förstå krympning och uppbyggnad av restspänningar är det elastiska svaret (E') det viktigaste och kommer att analyseras här.

Med ökande temperatur minskar lagringsmodulen kontinuerligt. Värdet på E' vid rumstemperatur är 1438 MPa. Databladet för det uppmätta provet visar vanligtvis andra värden (här: 1650 MPa) eftersom Youngs modul mäts i spänning. Under en DMA-mätning i flexurläge verkar både tryck- och dragbelastningen på provet, särskilt vid mätning av tjockare prover. Glasövergångens början bestämdes till 27°C. Efter modulminskningen sjunker värdena ytterligare från 500 MPa till 114 MPa vid smältpunkten (167°C).

Även om värdet på lagringsmodulen E' strax under smältpunkten är mycket viktigt för en lyckad tryckprocess, är hela förloppet viktigt under kylningsfasen. På grund av den stora förändringen i modul vid glasövergången måste kylningsprocessen vara mycket långsam (> 12 timmar för hela konstruktionen) för att minska eller eliminera skevhet och uppbyggnad av restspänningar under detta skede. Genom att förstå detta beteende kan man optimera processen och potentiellt påskynda detta tidskrävande processteg.

Om Institutet för polymerteknologi (LKT)

Institutet för polymerteknologi är ett akademiskt forskningsinstitut vid Friedrich-Alexander-universitetet i Erlangen-Nürnberg. Institutet är en av de ledande inom forskning om additiv tillverkning, särskilt SLS. Andra viktiga forskningsområden är lättviktsdesign och FRP, material och bearbetning, fogningsteknik och tribologi. Utöver dessa forskningsområden arbetar institutet även med tvärvetenskapliga ämnen som blandning av fyllnadsmaterial, simulering av bearbetning och tillämpningar, strålningsbundna termoplaster, skonsam bearbetning och mycket mer.