За матеріалами TA Instruments
Переклад і підготовка: ЛЕМ Україна
3D-друк, також відомий як адитивний технологічний процес, набуває популярності в якості універсальної методики виробництва в різних галузях промисловості. Він дозволяє швидко створювати прототипи та реалізовувати друк за запитом, що допомагає уникати можливих збитків, пов’язаних з серійним виробництвом.
Однією з основних причин широкого використання 3D-друку є його унікальна здатність створювати об’єкти складної форми. Багато традиційних методів виробництва не можуть формувати порожнини або підрізи у структурі. Проте, адитивний підхід дозволяє легко виготовляти незвичайні форми.
Сьогодні 3D-друк охоплює широкий спектр матеріалів, зокрема біосумісні полімери та метали. Він навіть використовується в таких сферах, як охорона здоров’я, для друку індивідуальних медичних пристроїв.
Для оптимізації матеріалів 3D-друку виробники повинні ретельно аналізувати механічні та термічні властивості кінцевого матеріалу. Хоча 3D-друковані компоненти зазвичай є легкими, а правильна комбінація полімерних компонентів може мати границю міцності на розрив, порівнянну з металами, проте одна з головних невирішених проблем полягає в тому, що створені шляхом адитивного виробництва деталі мають не найкращі механічні та термічні властивості.
Оптимізація виробничого процесу для покращення характеристик 3D-друкованих виробів
Актуальним напрямком досліджень є вивчення впливу процесу екструзії на кінцеві характеристики друкованого матеріалу. З точки зору здатності до розтягнення та термічних властивостей матеріалу однією з найбільш вибагливих є автомобільна промисловість.
На щастя, існує низка термопластичних полімерних матриць з вуглецевим волокном, скловолокном і кевларом, які підходять для 3D-друку, та можуть забезпечити достатньо високі показники експлуатаційних характеристик для застосування в автомобілебудуванні.
У процесі 3D-друку матеріал розплавляється та наноситься шарами, формуючи фінальний виріб. При цьому можна оптимізувати низку параметрів, таких як:
- Температура платформи та сопла.
- Час отвердіння між послідовним нанесенням шарів.
Існує велика кількість методів 3D-друку, зокрема селективне лазерне спікання (англ. Selective Laser Sintering, SLS), біопринтінг і моделювання методом наплавлення (англ. Fused Deposition Modeling, FDM). Останній є найбільш поширеним.
Ключові характеристики різних полімерів, які слід враховувати для оптимізації процесів 3D-друку з їх використанням:
- Температура склування – важливий параметр для правильно вибору температури екструзії аморфних полімерів.
- Температура плавлення – ключова для напівкристалічних полімерів.
- Ступінь кристалічності – суттєво впливає на механічні властивості полімерів.
- Ступінь зшивання – визначає жорсткість і міцність матеріалу, полімеризація якого здійснюється під дією УФ-світла.
Температура та час отвердіння впливають на молекулярну структуру полімеру в матеріалі та його властивості. Тому з метою оптимізації цих параметрів та визначення їхнього впливу на кінцевий матеріал матеріалознавці використовують спеціальні методи випробувань, які є чутливими до особливостей характеристик полімерів.
Термічний аналіз матеріалів для 3D-друку
Основні методи термічного аналізу, що використовуються для дослідження впливу процесу екструзії на характеристики кінцевого матеріалу, включають термогравіметричний аналіз, диференціальну сканувальну калориметрію, термомеханічний аналіз та динамічний механічний аналіз. Кожен із цих методів надає свою частину інформації, і в комплексі вони дозволяють глибше зрозуміти властивості матеріалу для 3D-друку.
Термогравіметричний аналіз (TГA) дозволяє вимірювати величину та швидкість зміни маси матеріалу в залежності від температури або часу. TГA дуже корисний для оцінки впливу екструзії, оскільки багато матеріалів при нагріванні можуть піддаватися окисленню або термічному розкладанню, що супроводжується зміною їхньої маси. Цей метод є одним із найкращих для визначення термічної стабільності матеріалу та оцінки того, чи зазнає він деградації під час екструзійного процесу.
Рисунок 1. (a) ТГА-аналізатор TGA 5500. (b) Приклад вимірювань: залежності маси та швидкості зміни маси від температури для нейлону-66 демонструють ефект термічного розкладання
Диференціальна сканувальна калориметрія (ДСК) є потужним методом аналізу екзотермічних та ендотермічних процесів у матеріалі залежно від температури. З точки зору вивчення впливу процесу екструзії найбільш цікавими параметрами, які визначаються за допомогою ДСК, є:
- Температура склування.
- Температура плавлення.
- Теплоємність матеріалу.
Поєднання ДСК та ТГА дозволяє виконувати комплексний аналіз впливу екструзії на полімерний матеріал, забезпечуючи точне визначення його термічних характеристик у заданому температурному діапазоні.
Рисунок 2. (a) ДСК-аналізатор DSC 2500. (b) Приклад вимірювань: зміни теплового потоку при нагріванні поліфеніленсульфіду демонструють певну різницю в температурах плавлення для зразків, що попередньо витримувались в розплаві при різних температурах і були охолоджені до застигання
Термомеханічний аналіз (TMA) використовується для вимірювання коефіцієнта теплового розширення (англ. coefficient of thermal expansion, CTE) та температури склування матеріалу. Оскільки температура склування залежить від теплової історії матеріалу, ТМА є хорошим способом перевірки того, що процес екструзії не призводить до виникнення у кінцевого виробу небажаної механічної поведінки. До того ж, армовані матеріали можуть демонструвати анізотропію, коли величина CTE залежить від того, в якому напрямку проводиться вимірювання по відношенню до орієнтації волокон у матеріалі.
Рисунок 3. (a) ТМА-аналізатор TMA 450 RH. (b) Приклад вимірювань: температурні залежності кута фазового зсуву між циклічним прикладеним зусиллям та деформацією зразка демонструють, що температура склування нейлону суттєво залежить від вологості, при якій він попередньо витримувався
Динамічний механічний аналіз (ДMA) широко застосовується в матеріалознавстві для дослідження полімерних композитів, оскільки він надає інформацію щодо поведінки матеріалу в умовах динамічного навантаження. ДMA є особливо корисним для аналізу готових 3D-друкованих деталей, оскільки дозволяє оцінити, як саме різні їхні композиції та методи обробки впливають на експлуатаційні характеристики.
Рисунок 4. (a) ДМА-аналізатор DMA 850. (b) Приклад вимірювань: залежність модуля зберігання від зміщення, викликаного циклічним зусиллям, дозволяє визначити область лінійної в’язкопружності зразка полікарбоната, в межах якої структура матеріалу залишається неушкодженою
Вибір правильної методики термічного аналізу для 3D-друку
Більшість виробничих ліній 3D-друку спираються на комбінацію різних методів термічного аналізу.
TA Instruments – провідний світовий виробник аналітичного обладнання для термічного аналізу, яке широко застосовується у сфері адитивного виробництва.
