Мы работаем по будням с 9:00 до 18:00

Прием заявок по телефону - круглосуточно

Технологии аддитивного производства. Обзор процесса экструзии материалов (Часть 1)

Технологии аддитивного производства. Обзор процесса экструзии материалов (Часть 1)

Обзор процесса экструзии материалов

Основным процессом в технологиях AM на основе экструзии материалов является использование эффективно 1D полоса (обычно называемая дорогой) материала, чтобы заполнить 2D пространство для сформировать один слой. Повторение этого процесса слой за слоем один поверх другого позволяет формировать полностью определенный трехмерный объект.

Некоторые из коммерциализированных технологии, основанные на этом процессе, представляют собой модель сплавленного осаждения (первоначально запатентовано Stratasys Inc.) и изготовлением плавленых нитей. На рис. 1.6 показаны примеры таких систем. В этих процессах термопластичная полимерная нить подается через нагретую форсунку, в которой полимер нагревается выше его стекла переход или точка плавления, позволяющая сформировать нить в «дорогу».

Эти дороги залейте слой, который в сочетании со всеми другими слоями образует трехмерный объект. Однажды ключ характерной особенностью процесса является то, что свойства конечного продукта часто являются анизотропными и сильно зависит от сцепления между каждой дорогой и всеми прилегающими дорогами

Процесс слитой модели осаждения

1.6 Процесс слитой модели осаждения

во внутри- и межслойных направлениях. Причина в том, что свойства на интерфейсы отвечают на процесс диффузии термоактивированного полимера или рептацию. Эта технология в настоящее время является наиболее распространенной и имеет самую низкую стоимость, связанную с процессом и процессами после изготовления.

Поскольку принцип экструзионного процесса основан на формировании сырья материал в экструдат, с помощью которого область на поверхности заполняется, чтобы построить один слой трехмерного объекта, материалы с несколько обратимыми изменениями свойств, чтобы формирование и позиционирование полимерных дорог. В дополнение к термопластам, термореактивные материалы, эластомеры, полимерные матричные композиты, высоковязкие жидкости, суспензия, бетон и биологические среды были показаны для 3D-печати с использованием этого подход.

Технология на основе экструзии в настоящее время является наиболее доступной и гибкой в сроки и стоимость реализации. С одной стороны, комплекты «Сделай сам» могут легко найти по очень низкой цене на популярных онлайн-посредников для любителей и пользователи образовательного рынка. С другой стороны, машины способны измерять метр конструкционные детали из высококачественных материалов, таких как ULTEM, PEEK продается.

Непрерывное развитие этой технологии видно в таких направлениях, как доступность материала, уточнение процесса и улучшение.

Процесс развития

Хотя за последние два десятилетия технология FDM пережила прорыв в во многих областях развития все еще существуют технологические пробелы, которые необходимо соединен, чтобы вывести технологию FDM на следующий уровень принятия в качестве производственного инструмента. Примером является низкая прочность детали в направлении сборки FDM. частей.

Хотя материальные и технологические возможности этой технологии развивались на протяжении многих лет, и сейчас они находятся в точке, где продукты конечного пользователя могут быть непосредственно основной проблемой по-прежнему остается анизотропия оптимизированные параметры процесса сборки: прочность детали в направлении, нормальном к Наращивание слоев составляет всего 10–65% от этого в направлениях вдоль нитей с низким Предсказуемость. Эта проблема ставит значительные ограничения дизайна в растущем количество уникальных инженерных приложений деталей, изготовленных из FDM, где динамическое нагрузки или разнонаправленные статические нагрузки присутствуют.

До настоящего времени в процессе FDM проводились исследования в основном в пяти областях: часть улучшение качества, улучшение процессов, разработка новых материалов, материалы свойства и приложения. Среди них три ключевые области имеют отношение к работе представлены здесь: (1) свойства материала (2) улучшение процесса и (3) качество детали улучшение. В свойствах материала значительная работа была сосредоточена в областях материалов испытаний, а также использование дизайна экспериментов для оптимизации известных параметры процесса для заданных свойств детали.

В то время как в процессе работы по улучшению было сделано, чтобы улучшить процесс формирования поддержки и установить числовые моделирование процесса FDM, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в части FDM улучшение качества привело к прогрессу в точности, чистоте поверхности, ориентации сборки частей, и в расширении, повторяемость. Здесь мы предоставим обзор работ наиболее актуально для наших предлагаемых усилий.

В контексте механического поведения детали FDM, значительный объем работы были введены различными группами, которые сосредоточены на исследовании эффектов FDM параметры процесса, включая температуру экструдера, угол растра, толщину слоя, воздух промежутки между слоями и дорогами FDM, а также ширины дороги на растяжение и прочность на изгиб, упругие свойства и остаточные напряжения [1–19].

Выводы из этих исследований все указывают в одном направлении: каждый параметр в FDM процесс по-разному влияет на разные свойства детали, и это оптимальный набор параметров для одного свойства может привести к ухудшению других свойств. Например, когда минимальное отклонение размеров и шероховатость поверхности желательно использовать более низкие температуры экструдера или активное охлаждение. Тем не мение, понижение температуры экструдера или использование активного охлаждения уменьшает общее прочность деталей из-за меньшей прочности межфиламентных и межслойных связей [5].

С технологиями, развивающимися в течение последних нескольких десятилетий в основном под управлением Stratasys, оптимизация параметров процесса для «наилучших возможных» комбинаций деталей точность размеров, шероховатость поверхности и прочность в основном определяются в завод. С точки зрения конечного пользователя, мало что нужно / можно сделать, чтобы улучшить качество деталей. С истечением срока действия оригинального патента в 2009 году, многие недорогие решения для 3D-печати на основе FDM появились и стали важной частью революция аддитивного производства, происходящая в сообществе дизайнеров.

Независимо от уровня машины FDM, для изотропии прочности детали, «Натянутые» значения прочности на растяжение деталей в направлениях между нитями и слоями падают в в диапазоне 10–65% от этого в направлении вдоль филаментов [20]. Для части сила вдоль направлений на срез / слой, хотя это также зависит от прочность нити между нитями, ее можно исправить, чередуя растровые углы смежные слои (планирование траектории инструмента), так что в любом заданном направлении вдоль слоев прочность в направлении накала может вносить вклад в общую прочность этого слоя. Здесь мы вводим «коэффициент изотропии прочности», чтобы описать отношение растяжения прочность деталей FDM в направлении от нормального к слою до прочности в направления вдоль нити.

По этому определению значения изотропии прочности будут в диапазоне от 0 до 1, где 0 означает отсутствие силы в направление нормали к слою, и 1 соответствует случаю, когда силы одинаковы в как вдоль слоя, так и между слоями. Текущие детали FDM имеют прочность коэффициент изотропии в диапазоне от 0,1 до 0,65 с 0,65 в случае с оптимизированным параметры процесса и обогреваемая сборочная оболочка. Почти все работы, существующие в В литературе, изучающей прочностные свойства деталей, рассматриваются параметры процесса, ориентация сборки и их оптимизация, но лишь несколько исследований. изучить физику процесса межслойного соединения, происходящего во время FDM и его отношение к входным данным процесса.

В нескольких исследованиях влияние различных параметров процесса на связь образование между «горячей» полимерной нитью и «холодной» существующей полимерной поверхностью был исследован. Все результаты этих исследований показали, что критическое факторы, определяющие степень прочности связи между нитью накала соседние лежат при температуре сопла и окружающей среды, а также а также процессы теплообмена в окрестности узла связи [21, 22].

Из две температуры, температура окружающей среды сборки оказывает более существенное влияние на прочность связи. Хотя это говорит о том, что можно просто увеличить сборку температура оболочки, чтобы увеличить прочность связи между нитями, ветвление это означает, что точность и допуски размеров и конструктивных элементов детали вниз, когда температура оболочки сборки поднимается выше определенных точек. Одина команда разработала способ нагрева всей поверхности детали горячим воздухом во время сборки процесс [23].

Хотя эффект от использования горячего воздуха был неубедительным в основном из-за подход, наблюдения очень согласуются с более ранними исследованиями, что критическая температура интерфейса должна быть достигнута и поддерживаться для данного количество времени для формирования связи между нитью и существующим поверхность, чтобы пройти три стадии формирования: смачивание, диффузия и рандомизация, во многом как модель репутации, представленная Де Женом [24] и позже принятый Wool et al. [25]. В 2016 году хсу и соавт. продемонстрировали внутрипроцессный лазерный локальный нагрев перед осаждением сообщается, что ближний ИК-лазер подает тепловую энергию пятно,  что расположенное на поверхности существующего слоя перед передней стороной экструзионное сопло по мере его перемещения [26]. Принцип этого процесса показан на рис. 1.7.

Когда полимерный экструдат вступает в контакт с областью нагреваемого лазером поверхность существующего слоя, стадии смачивания, диффузии и рандомизации необходимо для формирования прочного межмолекулярного проникновения имеет место в большей степень по сравнению с процессами осаждения без локального предварительного нагрева.

В результатах здесь сообщается о 50% увеличении прочности межслойной связи. В отличие от текущий метод нагрева оболочки, где используется самая высокая температура около половины Tg большинства полимеров, чтобы предотвратить размерные и геометрические проблемы, локальный предварительный нагрев на основе лазера, продемонстрированный в этом отчете, способен нагревать чрезвычайно локально только на фактическом сайте связи выше его Tg без отрицательного влияние на размер и геометрию детали.

Концепция внутрипроцессного лазерного локализованного предварительного напыления. Показано, что этот процесс эффективен для увеличения прочности межслойного сцепления деталей из FDM более чем на 50%. Рави и соавт.

1.7 Концепция внутрипроцессного лазерного локализованного предварительного напыления. Показано, что этот процесс эффективен для увеличения прочности межслойного сцепления деталей из FDM более чем на 50%. Рави и соавт.

Изгиб сильные стороны образцов при другой лазер локализован мощности нагрева перед осаждением

1.8 Изгиб сильные стороны образцов при другой лазер локализован мощности нагрева перед осаждением

Результаты были получены для изгибающих нагрузок, необходимых для разрушения образцов, построенных с лазерный нагрев перед осаждением (как показано на рис. 1.8a). Эти образцы были построены в скорости 1–10 мм / с при интенсивности лазера 0,75 Вт. Прочность на изгиб эти образцы были затем рассчитаны на основе полученных нагрузок разрушения и геометрия этих образцов.

Изгиб прочности образцов, построенных на разных скорости сопла (идентичные скорости лазерного сканирования) при той же интенсивности лазерного нагрева были построены на рис. 1.8b. Наши результаты показывают, что в диапазоне низких лазерных скорости сканирования, прочность на изгиб образцов, изготовленных с помощью нашего предварительного лазерного осаждения метод локального нагрева увеличивается с увеличением скорости печати; это выше уровня 4 мм / с. Это связано с увеличением испарения материала на области высокой интенсивности пятна, освещаемой лазером, при уменьшении скорости печати.

Во время FDM испарение этого материала создает впадину в поверхность, где входящий экструдат вступает в контакт. Если поток материала во входящем экструдате недостаточно, чтобы заполнить траншею, образуется дефект, который впоследствии может стать стрессом Концентратор в тесте на изгиб. Дефект также уменьшает фактическое поперечное сечение площадь поверхности, чтобы нести нагрузку. На нашей платформе FDM скорость лазерного сканирования составляет в сочетании со скоростью сопла. Следовательно, уменьшение скорости сопла приводит к увеличение оптической энергии на поверхности материала, что приводит к увеличению количества материала испаряется и создает большие дефекты.

На рис. 1.9 показаны сканирующие электронные микрофотографии поверхности разрушения. из двух типов образцов (с локальным предварительным напылением лазера, нагретым по сравнению с внешним) используется в испытаниях на изгиб. Поверхности разрушения расположены в основном вдоль поверхностей на какие трещины распространяются во время испытаний на изгиб и находятся в основном на межслойном уровне интерфейсы.

Представленные здесь результаты показывают, что при лазерном нагреве перед осаждением, поверхности разрушения показывают более грубую морфологию, чем у контрольных образцов. Мы приписывают это пластической деформации материал, прилегающий к границе раздела идет

Профили температуры в двух ортогональных плоскостях, пересекающих лазерное пятно в двух разных мощности лазера

1.9 103/5000 Профили температуры в двух ортогональных плоскостях, пересекающих лазерное пятно в двух разных мощности лазера

до того, как межуровневый интерфейс отделяется. Это указывает на то, что межслойный интерфейсы в образцах, построенных с использованием предложенного в процессе добавления, показывают разрушение поведение, подобное поведению самого материала ABS. Это изменение в переломе поведение предполагает увеличение количества взаимопроникающей диффузии через эти межуровневые интерфейсы.

Это увеличение диффузии через интерфейс позволяет межслойная связь, чтобы укрепить, как тот же интерфейс исчезает в результате взаимопроникающая диффузия. Поверхности разрушения на образцах, изготовленных без использования предложенного метода нагрева перед осаждением, имеют заметно более гладкую морфологию. это указывает на низкое сопротивление распространению трещин вдоль этих межслойных границ, и что гораздо меньшая степень диффузии полимерной цепи разместить на межслойных интерфейсах в контрольных образцах. На рис. 1.7 показаны зависимости нагрузка-отклонение образцов, полученных из 3-х точечные испытания на изгиб.

Ряд различий в поведении между образцы FDM, нагретые лазером, и контрольные образцы. Во-первых, контрольные образцы проявлять поведение «хрупкого разрушения», где в конце линейного отношения между изгибающая нагрузка и прогиб, наблюдается резкое падение нагрузки, которое отмечает перелом образцов. С другой стороны, образцы с нашими местными в процессе нагрев перед осаждением терпит неудачу в пластичном поведении, где нелинейное отклонение нагрузки

Связь между смещением изгиба и изгибающей нагрузкой

1. 10 Связь между смещением изгиба и изгибающей нагрузкой

связь наблюдается. Такое поведение согласуется с нашими наблюдениями за морфологические проявления на поверхностях разрушения лазерного нагрева и контроля образцы. На рис. 1.9 показаны оптические изображения интерфейса между напечатанным черным АБС подложка и слой натурального АБС с нанесением лазерного локального нагрева. Заметные различия в геометрии интерфейса очевидны на этих изображениях между предложенным подходом и внутренним процессом FDM.

В лазере местный При подходе предварительного нагрева общий более однородный профиль предполагает оплавление поверхности подложки при ее нагреве лазерным лучом. Понятно, что предлагаемый подход может не только повысить температуру интерфейса и способствовать повышению диффузия количества, это также уменьшает дефекты между дорогами накаливания и между слоями (рис. 1.10). На рис. 1.10 показаны значения прочности на изгиб образцов на разных лазерах. локализованные мощности нагрева перед осаждением. Здесь также приведены сильные изгибы образцов, построенных с одинаковыми параметрами растров, слоев и заполнения, но без лазера нагрев, а также диапазон типичных значений прочности на изгиб литья под давлением ABS.

Мы обнаружили, что при выбранном наборе параметров сборки прочность на изгиб пиковые значения при 1 Вт входной мощности лазера При значении пиковой прочности 48,2 МПа, наблюдается увеличение прочности межслойной связи на 50%. Это также достигает 80% прочность на изгиб литья под давлением ABS. Мы приписываем эту «пиковую» силу локальный максимум, так как мощность локального отопления увеличивается в результате двух конкурирующих Механизмы в предлагаемом внутрипроцессном способе локального нагрева: (1) увеличение прочность связи при увеличении температуры поверхности раздела в результате увеличения лазерного мощность нагрева и (2) увеличение дефектов, создаваемых испарением материала в областях высокой интенсивности гауссова пучка.

Для второго механизма это похоже на то, что мы наблюдали в прочности связи при различных скоростях сопла причем при увеличении мощности лазера область нагреваемого пути на полимере

Отношения между интенсивностью лазера и предел прочности при изгибе

1.11 Отношения между интенсивностью лазера и предел прочности при изгибе

поверхность, на которой достигается локальная температура, точка испарения материала также увеличивается. Это приводит к неполному заполнению каждой дороги и образованию дефектов. которые впоследствии могут стать концентраторами напряжений во время испытания на изгиб, вызывая снижение прочности на изгиб при увеличении мощности лазера.

С другой стороны, как лазер Мощность увеличивается, межуровневые интерфейсы видят более высокую температуру. При повышении температуры диффузия через границу раздела может происходить в большей степени и позволяют более высокие межслойные связи (рис. 1.11).

Соотношение между характерным расстоянием и глубиной подложки

Основываясь на наших экспериментальных результатах, которые согласуются с моделью выше, увеличение прочности межслойной связи наблюдается в образцах, построенных с нашим предложенным Поэтому локальный лазерный нагрев перед осаждением объясняется увеличением связи потенциал на межслойных границах, так как лазер локально нагревает полимер поверхности до того, как новая нить вступит в контакт с нагретым путем на поверхность.

Предварительно нагретая область поверхности позволяет температуре интерфейса оставаться выше критической температуры материала после контакта; и для более длительные периоды времени. В результате увеличения времени и температуры диффузия между межуровневыми интерфейсами увеличивается, что позволяет увеличить прочность связи. Пространственное распределение температуры в черной подложке АБС в виде сканирования лазерные лучи поперек его поверхности получаются из переходного процесса теплообмена и тепловая модель установлена ​​в коммерческом пакете моделирования конечных элементов COMSOL.

На рис. 1.12а показаны температурные профили в двух ортогональных плоскости, пересекающие лазерное пятно при двух разных мощностях лазера. Как видно из Рис. 1.12b, при скорости сканирования 10 мм / с и мощности лазера 0,4 Вт, в центре Освещенное место на поверхности подложки можно нагревать до температуры выше 250 ° С. В 1 мм от освещенного места (где выдавливание АБС из сопла контактирует с подложкой) температура поверхности, хотя и снижается, остается выше 150 ° С.

Также видно, что тепло остается на небольшой глубине тем, что на 0,5 мм ниже поверхности температура опускается ниже 55 ° C. предсказания здесь предполагают, что локализованный лазерный нагрев перед осаждением является эффективным способ локального поднятия границы раздела подложка-нить для содействия взаимной диффузии усиление без введения общего нагрева во всей рабочей части, в результате чего Рис. 1.12.

Зависимость между характерным расстоянием и глубиной подложки 14 1.Введение в аддитивное производство проблемы механической целостности во время сборки. Кроме того, пониженная температура градиент между интерфейсами во время печати может уменьшить тепловые напряжения вызвано из-за усадки различных областей полимера по слоям и дороги при печати и охлаждении (рис. 1.12). Рисунок 1.12b изображает распределение температуры в поперечном сечении сканирования на мощность лазера 1,5 Вт и скорость сканирования 10 мм / с.

При такой скорости ввода энергии, зона поражения в несколько сотен микрон в ширину поднимется над температурой температура разложения АБС, в результате чего происходит абляция материала. В наборе контрольные эксперименты, выполненные для проверки этого, мы обнаружили, что траншея, созданная лазерная абляция может привести к дефектам глубиной до 30 микрон и шириной до 500 микрон при скорости сканирования 5 мм / с и мощности лазера 1 Вт. Оптическая профилометрия Пример профиля лазерной абляции из-за малой скорости показан на рис. 1.12с.

Корреляция между int, прочностью связи слоя лазерного предварительного осаждения подогреваемые сборки FDM, измерения фактических температур поверхности и тепловых история должна быть получена. Это может быть достигнуто температурой в процессе измерения в локальной области, освещенной лазерным технологическим лучом, с использованием сквозная оптика и ИК-датчики в соответствующем диапазоне длин волн. Эти некоторые аспекты предлагаемого подхода в настоящее время рассматриваются.

Служба контроля качества
Как вы оцениваете работу нашей компании?
Отзывы и предложения