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Selective Laser Sintered Pipe Specimen Under Torsional Load: Experimental Investigations and Material Modeling
Abstract
Pipes and hoses in automotive and aircraft design engineering represent the central application area for polyamide 12 (PA12). This is due to its exceptionally high abrasion resistance, high fatigue resistance, and good chemical resistance. The manufacturing process of selective laser sintering (SLS) brings a unique design freedom that allows the manufacturing of tube specimens in geometries (with cavities) that would not be possible to produce using conventional manufacturing processes. Here we present a remarkable tube specimen for torsion and tension/compression experiments, which has been specially adapted to the SLS manufacturing process. The novel specimen geometry manufactured with the SLS process provides reproducible torsion test results. The torsion experiments provide information on the shear behavior of the polyamide 12, considering its viscoelastic properties. The contribution finishes with a first modeling approach that predicts the viscoelastic properties of the PA12 material.
This paper examines how polyamide 12 (PA12) behaves when exposed to shear stress. PA12 is a strong, versatile thermoplastic which is widely used in many industries. This research aims to better understand how PA12 reacts to shear-induced stress. Samples are produced on an industrial scale EOS P396 SLS-machine with a robust and well-proven parameter set. The study includes tests with two different shear specimens under several excitation speeds and relaxation tests, to characterize the viscoelastic properties. Digital image correlation is used for precise deformation measurements. A modeling approach combining viscoelasticity and endochronic plasticity is presented to map the inelastic effects. These models are implemented in MATLAB, providing precise simulations that confidently predict the mechanical material behavior.
Polyamide 12 (PA12) is a core material in many 3D-printing techniques, including selective laser sintering (SLS), and its mechanical characterization helps to better understand behaviors of additively manufactured parts made from this polymer. In this paper, the elastic response of SLS-produced PA12 is shown to be nonlinear. Standard test samples with different orientations with regard to the scanning direction are 3D-printed with the use of PA2200 powder, and their elastic response is investigated under uniaxial tension at different strain rates. Mooney–Rivlin hyperelastic models are proposed to address the observed nonlinear elasticity of the samples. Cyclic response of the specimens is shown to be stabilized after a few transient cycles so the material parameters are determined for trained samples after shakedown in their response. The obtained parameters are found to depend on the loading speed; thus, a rate-dependent hyperelastic constitutive model is presented for PA12 produced by selective laser sintering. This model is validated by comparing its numerical prediction with empirical responses under simple tension tests.
The material aging in selective laser sintering SLS of polyamide 12 is one challenge, which has to be overcome for implementation of this technique in serial production. High temperatures and along going processing times lead to chemical and physical aging effects of the supporting partcake material. Resulting aging mechanisms are not understood up to now. The investigations in this study aims at the influence of processing time and temperature on molecular changes and thermal properties of polyamide 12 partcake material in selective laser sintering. The focus of the investigations lays on the global heat exposure of the of the bulk material und thus on global material changes. Gel permeation chromatography analysis was used to determine the molecular weight distribution and changes of polymer structure. The Mark-Houwink plot exhibits a linear chain growth, which is a hint for a resulting solid state polycondensation. With increasing build time and build chamber temperature the average molecular weight is rising, whereby the influence of build time is more significant. The rise of chain length leads to a reduction of crystallization temperature, which was detected by DSC.
Additive Fertigungsverfahren gewinnen eine immer größere Bedeutung als Fertigungsverfahren für kleine bis mittlere Serien. Neben der wirtschaftlichen Anwendung für Kleinserien bietet z.B. Laser-Sintern eine weit über die Möglichkeiten konventioneller Verfahren hinausgehende Designfreiheit, welche neue innovative Lösungen ermöglicht.
Trotz der vielfältigen Potentiale bestehen heutzutage jedoch noch zahlreiche ungelöste Problemstellungen, welche einem uneingeschränkten Einsatz des Laser-Sinterns als Produktionsverfahren entgegenstehen. Insbesondere kann bis heute keine ausreichende Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften gewährleistet werden. Ursache dafür ist eine Vielzahl unzureichend verstandener Effekte, welche während des Herstellungsprozesses auftreten. Hierzu zählt insbesondere der für das Laser-Sintern maßgebliche Prozessschritt: Das Aufschmelzen des Pulvers durch den Laserenergieeintrag. Die bei der Laser-Pulver-Wechselwirkung entstehenden Temperatur-Zeit-Profile bestimmen maßgeblich die entstehenden Bauteile, sind aber nach heutigem Stand kaum erforscht.
Die vorliegende Arbeit greift diese Problemstellungen auf, um durch die Erlangung eines tiefgehenden Prozessverständnisses Lösungen bzw. neue Lösungsansätze für diese Themenfelder zu schaffen. Ausgehend von einem systematischen Ansatz werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozesseinflussgrößen sowie Störgrößen einerseits und maßgeblichen Bauteileigenschaften andererseits ermittelt. Auf Basis der aufgestellten Zusammenhänge und Korrelationsmodelle werden eine Optimierung der Prozessführung sowie die Identifizierung robuster Parameterbereiche ermöglicht. In diesem Zusammenhang findet erstmals eine detaillierte Analyse von Einflüssen unterschiedlicher Störgrößen statt. Gleichzeitig werden erstmals grundlegend die Einflüsse auf die Form- und Maßhaltigkeit lasergesinterter Bauteile untersucht.
In einem zweiten Schritt wird die Laser-Pulver-Wechselwirkung mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Thermografie umfassend charakterisiert. So werden erstmals mit einem abgesicherten Versuchsaufbau die entscheidenden Temperaturverläufe beim Aufschmelzen des Pulvers in Abhängigkeit der Energieeinbringung gemessen. Auf dieser Basis werden grundlegende Korrelationen zwischen Prozessparametern und gemessenen Schmelzetemperaturen sowie daraus abgeleitet Zusammenhänge zwischen Schmelzetemperaturen und Bauteileigenschaften aufgestellt. Hierbei kann ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Temperaturverlauf und der Bauteilqualität nachgewiesen werden. Diese grundlegenden Erkenntnisse werden zu einer neuen Prozesstheorie der „Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen beim Laser-Sintern“ zusammengefasst. Erst deren Erfüllung bildet die Grundvoraussetzung zur Einstellung einer robusten und reproduzierbaren Prozessführung. Des Weiteren zeigen die ermittelten Ergebnisse, dass Anlagenweiterentwicklungen dringend erforderlich sind, um die Reproduzierbarkeit auf ein für eine Serienfertigung geeignetes Maß zu steigern.
Die vorliegende 4. Auflage beschreibt die, noch anhaltende, Entwicklung und Verbreitung der Generativen Fertigungstechnik über alle Branchen und viele Anwendergruppen hinweg. Leistungsfähige Production Printer arbeiten in der Industrie und Fabber, kleine, preiswerte und meist selbst zu bauende 3D Drucker, erschließen die Generative Fertigung auch für Privatleute und an entlegenen Orten. Seriöse Journale und Tageszeitungen machen mit Druckern Erfolgsgeschichten auf. Drucker sind in aller Munde.
Daneben wird die Technik sukzessive verbessert. Die Prozesse werden stabiler und vor allem reproduzierbar. Eine wirkliche Massenproduktion von Einzelteilen gelingt in einzelnen Branchen und beginnt sich durchzusetzen.
Neben den notwendigen Aktualisierungen und Ergänzungen zeichnet dieses Buch vor allem diese Entwicklung nach.
This contribution presents a solution for generating an encapsulated environment for the selective laser sintering printing process. All relevant subroutines—such as unpacking, sieving, powder mixing, and conveying—can be done in a controlled and sealed environment. The exposure to harmful temperature and humidity conditions of the sensitive powder materials is avoided by accurate climate control. According to finite element calculations, the evaluated structural solution is modular, flexible, and robust.
Der erste Beitrag dieser Folge (s. Ausgabe 5/2004, s. 30) beschrieb die Ermittlung des mechanischen Klebstoff- bzw. Klebschichtverhaltens an Substanz- und In-situ-Proben bei Kurzzeitbeanspruchung. Außerdem wurden experimentelle Ergebnisse aus Untersuchungen eines für Crashbeanspruchung modifizierten Epoxidharzklebstoffes geliefert. Im nun folgenden zweiten Teil geht es um die Auswertung der experimentellen Ergebnisse für die mechanische Modellbildung zur Berechnung geklebter Verbindungen. Am Beispiel des modifizierten Epoxidharzklebstoffs wird die Ermittlung aller relevanten Klebstoffkennwerte aus den Ergebnissen der Untersuchungen an der Rohrprobe (Bild 1) beschrieben.
Purpose
The thermal history during laser exposure determines part properties in selective laser sintering (SLS). The purpose of this study is to introduce a new measurement technique based on a CO2 laser unit combined with a high-speed DCS. A first comparison of the thermal history during laser exposure measured with Laser-high-speed-(HS)-differential scanning calorimetry-(DSC) and in SLS process is shown.
Design/methodology/approach
This Laser-HS-DSC allows an imitation of the SLS-process in a very small scale, as the sample is directly heated by a CO2 laser. For this study, the laser power and the impact time is varied for determining temperature and achieved heating rates. Consequently, the temperature levels measured by the Laser-HS-DSC are compared with measurements in SLS-process.
Findings
The influence of laser power and impact time on resulting maximum temperatures und heating rates during laser exposure are investigated. With increasing laser power and impact time the maximum temperature rises up to approximately 450°C without material degradation. The heating rate increases up to an impact time of 3 ms and stays almost equal for higher durations.
Research limitations/implications
The Laser-HS-DSC experiments are based on few particles limiting a complete comparison with SLS process. In SLS, one volume element is exposed several times. In this study the PA12 material was exposed only once.
Originality/value
For the first time, laser sintering experiments can be transferred to a laboratory scale to analyze the influence of laser exposure on resulting temperature field during laser exposure without superimposing effects.
Layered manufacturing (LM) is gaining ground for manufacturing prototypes (RP), tools (RT) and functional end products (RM). Laser and powder bed based manufacturing (i.e. selective laser sintering/melting or its variants) holds a special place within the variety of LM processes: no other LM techniques allow processing polymers, metals, ceramics as well as many types of composites. To do so, however, quite some different powder consolidation mechanisms are invoked: solid state sintering, liquid phase sintering, partial melting, full melting, chemical binding, etc. The paper describes which type of laser-induced consolidation can be applied to what type of material. It tries to understand the underlying physical mechanisms and the interaction with the material properties. The paper demonstrates that, although SLS/SLM can process polymers, metals, ceramics and composites, quite some limitations and problems cause the palette of applicable materials still to be limited. There is still a long way to go in tuning the processes and materials in order to enlarge the applicability of LM. This is not surprising if one compares it to the decades of R&D work devoted to tuning processes and materials for hot or cold forming, metal cutting (e.g. development of free machining steels), casting and injection moulding (including powder injection moulding: MIM, CIM, etc.).
Kunststoff Handbuch 3/4 Technische Thermoplaste Polyamide, 4 edn
- L Bottenbruch
- R Binsack
Temperaturabhängige bestimmung der lokalen querkontraktionszahl an kunststoffen mittels laserextensometrie
- C Sirch
- C Bierögl
- W Grellmann
Selective laser sintering: a definition for the process and an empirical sintering model
- J Nelsen
Additive Fertigung mit Selektivem Lasersintern (SLS): Prozess- und Werkstoffüberblick. Essentials
- M Schmid