Wie man 3D-Druck-Materialien durch thermische Analyse optimiert
Jason Saienga | Gray Slough | Morgan Ulrich
May 30, 2022
Der 3D-Druck, der auch als additive Fertigung bekannt ist, wird als vielseitiges Fertigungsverfahren in verschiedenen Branchen eingesetzt. Das 3D-Drucken ermöglicht eine schnelle Herstellung von Prototypen und Print-on-Demand-Lösungen, um den potenziellen Abfall zu vermeiden, der mit Serienproduktionen verbunden ist.
Ein Grund, warum sich der 3D-Druck in der Fertigung durchsetzt, ist seine einzigartige Fähigkeit, komplexe Formen zu erstellen. Viele herkömmliche Fertigungsmethoden sind nicht in der Lage, Hohlräume und Unterschnitte in einer Struktur zu erzeugen. Ein additiver Ansatz ermöglicht die einfache Erstellung ungewöhnlicher Formen.
Heutzutage wird der 3D-Druck auf eine Reihe von Materialien ausgeweitet, darunter biokompatible Polymere und Metalle. Selbst im Gesundheitswesen wird der 3D-Druck für den individuellen Druck von medizinischen Geräten eingesetzt.1
Um Materialien für den 3D-Druck zu optimieren, müssen Hersteller die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Endmaterials sorgfältig berücksichtigen. Zwar sind 3D-gedruckte Komponenten in der Regel leicht und mit der richtigen Kombination von Polymerkomponenten kann eine ähnliche Bruchfestigkeit wie bei Metallen erreicht werden, doch ist die Überwindung der typischerweise geringen mechanischen und thermischen Eigenschaften von additiv hergestellten Teilen eine der großen Herausforderungen.2
Prozessoptimierung für 3D-gedruckte Produkteigenschaften
Die Frage, wie sich der Prozess der Extrusion auf die endgültigen Eigenschaften des gedruckten Materials auswirkt, ist ein sehr aktives Forschungsgebiet. Anwendungen in der Automobilindustrie zählen zu den anspruchsvollsten hinsichtlich der Bruchfestigkeit und der thermischen Eigenschaften des Materials.
Es stehen erfreulicherweise eine Reihe von thermoplastischen Polymermatrizen mit Kohlenstoff-, Glas- und Kevlarfasern zur Verfügung, die sich für den 3D-Druck von Teilen eignen und eine ausreichend hohe Leistung für den Einsatz im Automobilbereich erzielen können.2
Beim 3D-Druckverfahren wird das zu druckende Substrat geschmolzen und dann schichtweise aufgetragen, um das endgültige Objekt zu erstellen. Es gibt zahlreiche Parameter, die im Prozess optimiert werden können, wie z.B. die Bett- und Düsentemperaturen für das Polymer und die Aushärtungszeit zwischen den Schichten.
Es gibt mehrere Methoden für den 3D-Druck, darunter selektives Lasersintern, Biodrucken und Schmelzschichtmodellierung. Die Schmelzschichtmodellierung ist die gängigste Methode.
Die Glasübergangstemperatur ist eine wichtige Information zur Wahl der richtigen Temperatur für das Extrudieren amorpher Polymere. Für teilkristalline Polymere ist die Schmelztemperatur der Wert von Interesse. Der Grad der Kristallinität hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Polymers.
Viele Polymere werden mit UV-Licht ausgehärtet, wodurch Radikale im Polymermaterial entstehen, die als Initiatoren für den Vernetzungsvorgang bei der Herstellung des fertigen Polymers dienen. Ein höherer Vernetzungsgrad führt in der Regel zu einem steiferen und festeren Material. Die Materialfestigkeit durch Vernetzung kann beeinflusst werden, indem man die Zeitspanne verändert, in der die Probe dem UV-Licht ausgesetzt wird.
Sowohl die Temperatur als auch die Aushärtungszeit haben Einfluss auf die Molekularstruktur des Polymers im Material und seine Eigenschaften. Daher verwenden Materialentwickler zur Optimierung dieser Parameter und zur Untersuchung ihrer Auswirkungen auf das endgültige Material Testverfahren, die auf die Details der Polymereigenschaften reagieren.
Thermische Analyse von 3D-Druckmaterialien
Die wichtigsten thermischen Analyseinstrumente zur Untersuchung des Einflusses des Extrusionsprozesses auf die Eigenschaften des Endmaterials sind die thermogravimetrische Analyse (TGA), die Differenzialkalorimetrie (DSC), die thermomechanische Analyse (TMA) und die dynamische mechanische Analyse (DMA).3 Jede Technik bietet ergänzende Informationen, die kombiniert werden können, um ein tieferes Verständnis der Eigenschaften des Druckmaterials zu erhalten.
Die thermogravimetrische Analyse misst das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Gewichtsveränderung eines Materials in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Zeit. Die TGA ist sehr hilfreich, um den Einfluss der Extrusion zu charakterisieren, da viele Materialien bei Erhitzung oxidieren oder sich zersetzen können, was zu Gewichtsveränderungen führt.4 Die thermogravimetrische Analyse ist eines der besten Verfahren, um festzustellen, ob die Probe unter den Bedingungen, denen sie im Extrusionsprozess ausgesetzt ist, abgebaut wird.
Die Differenzialkalorimetrie ist eine leistungsstarke Technik zur Messung der exothermen und endothermen Übergänge eines Materials in Abhängigkeit von der Temperatur. Zu den üblichen Punkten, die bei der Extrusionsverarbeitung von Interesse sind, gehören die Glasübergangstemperatur, die Schmelztemperatur und die Wärmekapazität des Materials.
Die Differenzialkalorimetrie und die thermogravimetrische Analyse sind eine leistungsstarke und komplementäre Kombination von Techniken, um die Auswirkungen der Extrusion zu verstehen. Zusammen können diese Techniken verwendet werden, um ein Profil der thermischen Eigenschaften des Polymers bei der Extrusionstemperatur zu erstellen.3
Die thermomechanische Analyse, bei der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) und die Glasübergangstemperaturen gemessen werden, ist eine weitere ergänzende Technik. Da die Glasübergangstemperatur von der thermischen Entwicklung des Materials abhängt, ist die thermomechanische Analyse eine gute Methode, um sicherzustellen, dass der Extrusionsprozess kein unerwünschtes mechanisches Verhalten in das fertige Objekt einbringt. Auch verstärkte Materialien können je nach Ausrichtung der Messung relativ zur Faserrichtung eine Anisotropie im WAK aufweisen.3
Die dynamisch-mechanische Analyse ist auch in der Werkstofftechnik zur Analyse von Polymer-Verbundwerkstoffen weit verbreitet, da sie Informationen über das Verhalten eines Materials unter dynamischen Belastungsbedingungen aufdecken kann.5 DMA ist besonders nützlich für die Charakterisierung von fertigen 3D-gedruckten Teilen, da sie zeigt, wie unterschiedliche Formulierungen und Verarbeitungsmethoden die Leistung bei der Endnutzung beeinflussen.
Die Wahl der richtigen 3D-Druck-Thermoanalysetechnik
Die meisten 3D-Druck-Fertigungslinien setzen auf eine Kombination der oben genannten Techniken. Als Weltmarktführer im Bereich der thermischen Analyse ist TA Instruments der bevorzugte Anbieter von Instrumenten für Additivhersteller in aller Welt.
Wir helfen Nutzern aus verschiedenen Branchen dabei, das richtige Instrument und die richtige Methode für ihre individuellen Herausforderungen und Ziele im 3D-Druck zu finden. Wir führen eine Reihe von branchenführenden Geräten für die thermische Analyse, die einfach zu bedienen und hocheffizient sind. Die umfassende Produktlinie von TA Instruments zur thermischen Analyse bietet alle notwendigen Geräte zur vollständigen Charakterisierung der thermischen und mechanischen Eigenschaften Ihrer Substrate.
Kontaktieren Sie noch heute unsere Experten, um herauszufinden, wie das TA Instruments-Sortiment an thermischen und mechanischen Analysegeräten die Qualität Ihrer 3D-gedruckten Produkte verbessern kann.
Referenzen:
- Trenfield, S. J., Awad, A., Madla, C. M., Hatton, G. B., Goyanes, A., Gaisford, S., Basit, A. W., Trenfield, S. J., Awad, A., Madla, C. M., & Hatton, G. B. (2019). Shaping the future: recent advances of 3D printing in drug delivery and healthcare. Expert Opinion on Drug Delivery, 16(10), 1081–1094. https://doi.org/10.1080/17425247.2019.1660318
- Mohammadizadeh, M., & Fidan, I. (2019). Thermal Analysis of 3D Printed Continous Fiber Reinforced Thermoplastic Polymers for Automotive Applications. Solid Freeform Fabrication 2019: Proceedings of the 30th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference, 899–906. https://utw10945.utweb.utexas.edu/sites/default/files/2019/078%20Thermal%20Analysis%20of%203D%20Printed%20Continuous%20Fiber%20Re.pdf
- Billah, K. M., Lorenzana, F. A. R., Martinez, N. L., Chacon, S., Wicker, R. B., & Espalin, D. (2019). Thermal Analysis of Thermoplastic Materials Filled with Chopped Fiber for Large Area 3D Printing. Solid Freeform Fabrication 2019: Proceedings of the 30th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference, 892–898. https://utw10945.utweb.utexas.edu/sites/default/files/2019/077%20Thermal%20Analysis%20of%20Thermoplastic%20Materials%20Filled.pdf
- TA Instruments (2022) 3D Printing Webinar, https://www.tainstruments.com/3-d-printing-and-additive-manufacturing-process-optimization-a-thermal-approach/, accessed May 2022
- Saba, N., Jawaid, M., Alothman, O. Y., & Paridah, M. T. (2016). A review on dynamic mechanical properties of natural fibre reinforced polymer composites. Construction and Building Materials, 106, 149–159. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.075