16-я конференция CIRP по интеллектуальному вычислению в машиностроении, CIRP ICME '22, Италия
Предварительный тест влияния прямого отжига на свойства изгиба ПЭЭК, полученного аддитивным способом
Luigi Morfinia, *, Maria Grazia Guerraa, Fulvio Lavecchiaa, Roberto Spinaa, b, c, Luigi Maria Galantuccia
a Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management (DMMM), Politecnico di Bari, Bari, Италия
b Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)-Sezione di Bari, Bari, Италия
c Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (CNR-IFN), Bari, Италия
Аннотация
Инженерные полимеры широко используются в аэрокосмической, автомобильной, авиационной и медицинской промышленности. Они могут обрабатываться различными технологиями, включая аддитивное производство. Полиэфир-эфиркетон (ПЭЭК) — это поликристаллический полимер, обладающий отличными механическими свойствами и стойкостью к высоким температурам. Как поликристаллический полимер, его свойства можно улучшить путем термической обработки, которую можно провести в печи или с помощью системы прямого отжига, встроенной в машину фузной нитевой фабрикации (FFF). Цель настоящего исследования — предоставить дополнительную информацию о связи между отжигом и упругими свойствами образцов ПЭЭК, изготовленных с помощью технологии FFF. Проведен процесс прямого отжига во время печати и сравнен с традиционным отжигом в печи с похожим временем продолжительности. Свойства изгиба анализировались в зависимости от типа и температуры отжига.
© 2023 Авторы. Опубликовано Elsevier B.V.
Это статья с открытым доступом по лицензии CCBY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0)
Рецензирование под ответственностью научного комитета 16-й конференции CIRP по интеллектуальному вычислению в машиностроении
Ключевые слова: Фузная нитевая фабрикация; ПЭЭК; Отжиг; Сопротивление изгибу; Аддитивное производство
1. Введение
Инженерные полимеры широко используются в аэрокосмической, автомобильной, авиационной и медицинской промышленности. Они могут обрабатываться различными технологиями, включая аддитивное производство. Полиэфир-эфиркетон (ПЭЭК) — это поликристаллический полимер, обладающий отличными механическими свойствами и стойкостью к высоким температурам. Как поликристаллический полимер, его свойства можно улучшить путем термической обработки, которую можно провести в печи или с помощью системы прямого отжига, встроенной в машину фузной нитевой фабрикации (FFF). Цель настоящего исследования — предоставить дополнительную информацию о связи между отжигом и упругими свойствами образцов ПЭЭК, изготовленных с помощью технологии FFF. Проведен процесс прямого отжига во время печати и сравнен с традиционным отжигом в печи с похожим временем продолжительности. Свойства изгиба анализировались в зависимости от типа и температуры отжига.
Проводились значительные исследования ПЭЭК, включая анализ дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и другие методы для установления теплового профиля материала. Джин и соавт. [10] обнаружили, что двойные пики плавления в анализе ДСК возникают из-за перестройки кристаллов ПЭЭК из-за более высокой скорости рекристаллизации ПЭЭК по сравнению с наложенными скоростями нагрева и охлаждения. Согласно Лиау и соавт. [11], анализ степени кристалличности указывал на важность получения высокого значения для улучшения адгезии между слоями, что приводит к высоким механическим свойствам. Более высокая кристалличность была получена путем повышения температуры сопла и высоты слоя, а также снижения времени ожидания перед удалением детали и скорости печати. Поскольку ПЭЭК является поликристаллическим полимером, важно исследовать возможность увеличения кристалличности напечатанных деталей ПЭЭК путем термической обработки после печати. Как и для других полимеров, расплав подвергается сложной истории деформации и охлаждения, что приводит к неоднородному распределению микроструктуры в компоненте, как сообщают Лащет и соавт. [12]. Ян и соавт. [13] показали, как различные методы термической обработки влияют на кристалличность ПЭЭК, которая локально влияет на механические свойства. В литературе описаны воздушное охлаждение, охлаждение в печи, закалка, отжиг и затвердевание. Результаты отжига показали, что он лучше для получения более высокой степени кристалличности. Башгул и соавт. [14] изучали, как изменяется структура пор деталей ПЭЭК после отжига, без уменьшения нежелательной пористости, образовавшейся во время процесса 3D-печати, которая была вызвана расслоением слоев. Другое исследование показало, что отжиг дал хорошие результаты по механическим, трибологическим и вязкоупругим свойствам [15]. Регис и соавт. [16] изучали поведение и кристалличность образцов ПЭЭК, изготовленных методом инжекционного molding, подвергавшихся обработке отжига при температурах от 200°C до 300°C. Результаты показали повышение кристалличности при более высоких температурах.
Целью настоящего исследования является предоставление дополнительной информации о связи между отжигом и упругими свойствами образцов ПЭЭК, изготовленных с помощью технологии FFF. Проведен процесс прямого отжига во время печати и сравнен с традиционным отжигом в печи с похожим временем продолжительности. Свойства изгиба анализировались в зависимости от типа и температуры отжига.
2. Материал и методы
Использовался материал PEEK KetaSpire®MS NT1 AM 1,75mm от Solvay SA (Брюссель, Бельгия), натуральная нить, способная обеспечить долговечную работу при температурах до 240°C. Ее высокая стойкость к коррозии, химическим веществам, теплу, пластичность и размерная стабильность делают ее подходящей для применений, таких как замена металла в аэрокосмической, автомобильной промышленности и нефтегазовом секторе. Температура плавления, объявленная поставщиком, составляет 343°C [17], а температура стеклования составляет около 145°C [14]. Бобинку высушивали восемь часов при 150°C в печи с принудительным воздухообращением и хранили в вакуумных пакетах до печати. В соответствии с UNI EN ISO 178 [18], размеры образцов для изгиба составляли 80×10 мм² и толщина 4 мм. Образцы изготовляли на 3D-принтере Creatbot PEEK-300 coreXY с объемом построения 300×400×300 мм³ в полностью закрытой горячей камере.
Рис.1. Система прямого отжига.
Он был оснащен системой двойного экструдера. Максимальные температуры сопел, платформы и камеры составили 500°C, 200°C и 120°C соответственно. Одной из дополнительных основных функций этой машины была система прямого отжига (DAS), технологией компании для отжига детали во время нанесения. Поставщик объявил, что технология DAS была защищена патентом и доступна только на машинах CreatBot. Для поддержания области вокруг сопла нанесения на последнем слое при контролируемой температуре использовался нагревательный элемент коронной формы (рис. 1). Преимуществом прямого отжига была улучшение прочности связи между слоями, избежание проблем, связанных с расслоением слоев. Во время экспериментов использовали сопло из упрочненной стали диаметром 0,4 мм и пластиковую плиту с углеродным волокном.
Проводились предварительные испытания печати для оценки адгезии к платформе печати. Специальный высокотемпературный клей гарантировал адгезию к платформе печати по 15 линиям ободка. Изначальные испытания печати проводились с использованием параметров, найденных в литературе и представленных в таблице 1.
Таблица 1. Параметры печати.| Parameter | Value | Unit |
|---|---|---|
Температуры | ||
Сопло | 430 | °C |
Платформа | 150 | °C |
Камера | 100 | °C |
Оболочка | ||
Высота слоя | 0.2 | мм |
Ширина линии | 0.4 | мм |
Количество слоев стенки | 3 | - |
Заполнение | ||
Плотность заполнения | 100 | % |
Смещение угла заполнения | -45°/+45° | - |
Скорость | ||
Скорость печати | 20 | мм/с |
Для изучения влияния процесса прямого отжига и сравнения его с традиционным отжигом в печи использовался факториальный план эксперимента 2² DoE. 2² DoE был выбран потому, что процесс находился в стадии исследования. В таблице 2 представлены выбранные для анализа факторы и их относительные уровни с тремя повторениями для каждой комбинации. Исследуемые факторы включали тип отжига и максимальную температуру. Было изготовлено 15 образцов: шесть из них последующего обрабатывались в печи, шесть — подвергались прямому отжигу, а оставшиеся три оставались необработанными.
| Процесс | Прямой отжиг (DA) | Отжиг в печи (OA) |
|---|---|---|
Температура (°C) | 200 | 300 |
Уровень фактора
Рис.2. Цикл отжига.
Время печати каждого образца составляло 40 минут. Время процесса прямого отжига совпадало с временем печати, потому что горячая корона выполняла обработку, пока наконечник наносил расплавленный филамент. Время обработки в печи совпадало с временем прямого отжига, чтобы сделать результаты эксперимента сравнимыми. Используемая скорость нагрева и охлаждения составляла 5°C/мин. Тепловой цикл представлен на рис. 2.
2.1. Анализ времени и стоимости
Также проводился анализ факторов времени и стоимости. Времена суммированы в таблице 3. Время печати tprint было одинаковым для каждого образца и обработки. Время отжига в печи включало время нагрева и выдержки.
Таблица 3. Таблица времени печати и отжига.
| Direct Annealing | Oven Annealing | |||
|---|---|---|---|---|
| Time(min) | 200°C | 300°C | 200°C | 300°C |
| ID | DA200 | DA300 | OA200 | OA300 |
| Annealing time (toven) | - | - | 75 | 95 |
Почасовые ставки связаны с 3D-принтером (Cp), печью (Co,Cco), печатью (Ccp) и прямым отжигом (Ca, Cda). Стоимость покупки материала, одинаковая для обоих процессов, считалась незначимой. Почасовая ставка машины — это почасовая стоимость фабричных накладных для эксплуатации конкретной машины. Она получается путем деления фабричных расходов, связанных с машиной за данный период, на количество часов работы машины за этот период. По этой причине почасовые ставки были следующими:
Стоимость производства детали с прямым отжигом CDA и отжигом в печи COA составляла:
Формулы (1) и (2) имеют несколько общих элементов (Cp, Ccp), которые можно игнорировать, чтобы выделить разницу в стоимости между двумя процессами.
Учитывая почасовую стоимость прямого отжига 0,5 €/ч, потребление энергии системы прямого отжига 80 Вт·ч, почасовую стоимость печи для тепловой обработки 10,0 €/ч и потребление энергии печи 2200 Вт·ч, обработка в печи была значительно дороже, с уравнением (2) больше, чем уравнение (1).
Учитывая почасовую стоимость прямого отжига 0,5 €/ч, потребление энергии системы прямого отжига 80 Вт·ч, почасовую стоимость печи для тепловой обработки 10,0 €/ч и потребление энергии печи 2200 Вт·ч, обработка в печи была значительно дороже, с уравнением (2) больше, чем уравнение (1).
3. Результаты и обсуждение
3.1. Механические испытания
Для оценки влияния двух обработок отжига на механические свойства материала проводились трехточечные испытания на изгиб (рис.3). Результаты (рис.4) показали, что эффект тепловой обработки был значительным, варьируя прочность на изгиб по сравнению с необработанными образцами. Средняя прочность на изгиб необработанных образцов (UNT) составила 124,43 МПа с стандартным отклонением 6,75 МПа, что аналогично данным, представленным в литературе [19]. Процесс отжига при высоких температурах улучшает механические свойства термопластов, как подчеркнули Батт и Баскар [20], изучая влияние отжига на широко используемые полимеры. По этой причине ожидалось повышение свойств ПЭЭК. Образцы, подвергнутые обработке отжига в печи при 300°C (OA300), показали на 16% более высокую прочность на изгиб по сравнению с UNT, что подтверждается некоторыми работами [14], [15]. Кроме того, отжиг улучшал механические свойства при высоких температурах нагрева благодаря более высокой адгезии между слоями [21]. Адгезия между слоями — это важный фактор в механических испытаниях для оценки напряжений. Улучшение адгезии приводило к снижению пористости материала, приближаясь к свойствам того же материала, обработанного методом инжекционного molding [6]. Однако образцы OA300 показали более хрупкое поведение, с 66% сломанных образцов. Все другие образцы не достигли разрушения в конце испытания.
Образцы, подвергнутые обработке прямого отжига при 300°C (DA300), не достигли тех же значений прочности на изгиб, что и OA300. Они показали почти 6% увеличение прочности на изгиб по сравнению с необработанными образцами, получив среднюю прочность на изгиб 131,77 МПа со стандартным отклонением 3,30 МПа. С другой стороны, образцы, обработанные при 200°C, показали ухудшение механических свойств.
Рис.3. Образцы для изгиба до и после механических испытаний.
Рис.4. Процентные значения прочности на изгиб образцов, подвергнутых тепловой обработке, по сравнению с необработанными образцами (0%).
В результате свойства ухудшились на 6,5% для образцов, обработанных в печи при 200°C (среднее 116,2 МПа, стандартное отклонение 19,41 МПа), и на 5% для образцов, обработанных напрямую при 200°C (среднее 118,3 МПа).
3.2. Статистический анализ
Проводился статистический анализ. Входные факторы (тип обработки, температура обработки) были выбраны из-за их заметного влияния на механические свойства. Предыдущие работы [6], [14] показали интерес к проведению циклов отжига при 200°C и 300°C. Анализировались данные о прочности на изгиб 12 образцов, подвергнутых тепловой обработке, полученные ранее при механических испытаниях. В анализе дисперсии с доверительным интервалом 95% влиянием обладала только температура обработки (p-значение 0,016). Это поведение также видно из графика основных эффектов (рис. 5).
Рис. 5. Основной эффект графика для прочности на изгиб.
График показывает, что тип обработки почти не влиял на прочность на изгиб. С другой стороны, температура обработки оказалась существенно влиятельной, подтверждая тенденцию, выявленную в предыдущем анализе литературы [6], [11], [16].
3.3. SEM-анализ
Сканирующий электронный микроскоп (SEM) оценил изменения в структуре материала, вызванные отжигом (рис. 6). Прямой и печной отжиг при 300°C улучшили сцепление между слоями, подтверждая результаты механических испытаний и обзор литературы. Образцы, анализируемые в этой статье, показали похожее поведение, выделяя основную критику — разделение слоев из-за напряжений, вводимых испытанием на изгиб. В образцах с более низкой прочностью на изгиб были области разрыва между слоями, проявляющиеся в виде расслоения и пустот. Рис. 6-a показывает образец UNT как референс перед механическими испытаниями. Процесс печати вызвал низкую адгезию между слоями. Рис. 6 показывает изображения поперечных сечений образцов, подвергнутых прямому и печному отжигу, анализируемых после механических испытаний. DA200 был очень похож на UNT, что подчеркивает, как обработка могла не иметь эффекта и, как в рассмотренном случае, привела к более низким значениям прочности на изгиб. Рис. 6-c показал то же поведение, что и рис. 6-b. Зазоры между слоями, стимулированные изгибом, являются основной причиной ухудшения свойств изгиба.
Рис.6. SEM-изображения поперечных сечений образцов: (a) ориентация печати (xy) с выделенным поперечным сечением (zy); (b) UNT; (c) DA200; (d) OA200; (e) DA300; (f) OA300.
Наоборот, образцы, обработанные при 300°C, были более компактными. Это поведение подтвердило результаты, полученные при механических испытаниях, достигнув более улучшенных свойств изгиба. Образцы имели меньше зазоров между слоями. DA300 имел некоторые зазоры, которые повлияли на значения, полученные при испытаниях. OA300 был наиболее компактным, и его результаты были лучшими по прочности на изгиб, но показали меньшую деформацию перед разрушением. Зазоры в DA200 и OA200 были шире и глубже, чем в DA300 и OA300.
4. Заключение
В этой статье рассматривается механическая характеристика ПЭЭК, подвергнутого процессу прямого отжига. Проведено сравнение этого отжига с отжигом в печи. Данные, анализируемые в зависимости от типа обработки — прямого или в печи — не оказали значительного влияния на прочность на изгиб, в то время как температура оказалась влиятельной. Анализы показали, что наиболее подходящей обработкой является обработка при 300°C. Механические свойства прочности на изгиб получили увеличение на 16% и 6% соответственно для отжига в печи и прямого отжига. Обработка в печи при 300°C увеличила механические характеристики на 10%, но потребовала общего времени производства (печать плюс время отжига в печи) в 3,5 раза по сравнению с общим временем производства с прямым отжигом. Прямой отжиг (DA300) очевиден, если учитывать время производства, сокращенное до времени печати, и, следовательно, стоимость. Вообще, активация системы прямого отжига дала преимущества процессу печати ПЭЭК. Прямой отжиг, проводимый при 300°C, позволил получить лучшее качество печати, улучшенную адгезию и улучшенные свойства изгиба при незначительном увеличении стоимости из-за различного потребления электроэнергии по сравнению с необработанными деталями.
Благодарности
Эта работа была поддержана Министерством образования Италии, Университетом и Научным исследованием в рамках Программы "Отделение Excellency" Закона 232/2016, грант № CUP - D94I18000260001. Исследование было частью исследовательского проекта PON SIADD — "Инновационные решения для качества и устойчивости процессов аддитивного производства" CUP B36G18001430005, финансируемого Национальной оперативной программой PON — Наука и Инновация 2014-2020.
