FDM 3Dプリント形状記憶ポリマーの機械的特性試験

FDM 3Dプリント形状記憶ポリマーの機械的特性試験
出典: Additive Light

アルバータ大学は、製造業の可能性を次のレベルに引き上げるために、「形状記憶ポリマーの押し出しベースの付加製造の機械的特性」で 4D の世界を探求しました。著者らは、押し出しベースの付加製造(EBAM)の効果を調査した。形状記憶ポリマー (SMP) への FDM 3D プリントは、主にその機械的特性と関係があります。これは、今日の高度な製造技術における大きな懸念事項です。

SMP は、環境(通常は温度や湿度)に応じて変形するという、魔法のような特性を備えていることで、ここ数年で認知されてきました。熱応答性 SMP は熱に反応することが知られており、製造コストの安さ、軽量性、および科学者の実験を容易にする形状変化特性、特にそのような形状のプログラミングの容易さにより、さまざまな利点を提供します。

しかし、科学者が SMP についてさらに深く調査する前に、その機械的特性と動作を理解し、形状を記憶する能力を評価する必要があります。航空宇宙や医療を含むさまざまな用途の SMP 専用に、多くの新しい材料が開発されています。この研究では、研究者らは半結晶性熱可塑性ポリウレタン形状記憶ポリマー(MM4520)を使用しました。 3D 印刷プロセス中の気泡の発生を防ぐため、研究者らは押し出しプロセスを開始する前にポリウレタン ペレットを真空オーブンで乾燥させました。
給餌
溶ける
形にする
クールダウン
曲がりくねった

スライス処理により、オブジェクト (右) が一連の薄い層 (左) に変換されます。
サンプルの製作には Ultimaker 3 を使用し、長方形のピースを CNC 加工してドッグボーン サンプルを作成しました。
ドッグボーンを直接印刷するのではなく機械加工する主な利点は、サンプルの端からシェル層が除去され、方向性のある組み立てラインが残ることです。

実験室のSMPフィラメント押し出し装置
押し出し機に接続された Brabender Inc. の駆動システムの図 (上)、および 4 つの加熱ゾーンを備えた押し出し機の溶融バレルの側面図 (下)

研究チームは合計で、4 つの異なる格子角度 (0°、30°、60°、90°) と 3 つの異なる充填率レベル (85%、100%、115%) を持つ 120 個のサンプルを作成しました。引張試験では以下の点を評価します。
測定
弾性係数
降伏強度
最大伸長
弾性係数
引張靭性

引張試験結果によると、異なる格子角度の弾性率 (E) に大きな変化は見られませんでしたが、格子角度 90° の 85% 充填サンプルでは、​​同じ充填剤の他の格子角度と比較して約 35% の減少が見られました。さらに、充填率を 85% から 100% に増やすと、弾性係数が大幅に増加します。

弾性率、降伏強度、弾性率 (E、σy、Ur) とは異なり、ラスター角度は、あらゆる充填率レベルで最大伸び (EL%) と引張靭性 (UT) に大きな変化を引き起こします。ただし、塗りつぶし率が減少するにつれて、ラスター角度の影響は大きくなります。さらに、100% 充填サンプルは、90° ラスター角度を除いて、変形性と引張靭性の点で 85% および 115% 充填サンプルよりも優れた性能を示しました。

12 個の印刷サンプルのバッチ (ライナー 115%、ラスター角度 45°) 実験結果に従って、EBAM サンプルの弾性率の一般的なアルゴリズムが作成され、入力としてラスター角度 0° および 90° のサンプルが必要になりました。 100%充填サンプルではわずかな差しかありませんが、著者らはこれらの値が実験結果と一致しないことを指摘しています。

したがって、EBAM プロセスの原則に従って、CLPT モデルを変更するために 2 つの異なる補償項が導入されます。これらの修正により、実験値と予測値の差異は 0.25% ~ 4.47% の最小範囲に大幅に減少しました。この論文で使用したモデルと修正を検証し、さまざまな条件下でのモデルの有用性を検証するには、追加の研究が必要です。

SMP は現在多くのユーザーを魅了しており、磁気インクを使用してシリコンに 4D プリントし、ソフト アクチュエータのパフォーマンスを向上させるために使用しています。


航空、航空宇宙、Ultimaker

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