ارزیابی خواص مکانیکی قطعات تولید شده به روش تف جوشی انتخابی به کمک لیزر به وسیله کنترل رژیم حرارتی درون محفظه ساخت

STUDENT

DEGREE

YEAR

Thermal history is a key factor affecting mechanical properties of polymeric parts made by the selective laser sintering (SLS) process. In this research, the effect of thermal history on the mechanical properties of PA12 parts produced by the SLS process has been investigated. It is hypothesized that different cool-down methods, built orientations, and scanning pattern could be influencing factors on the thermal history during the SLS process. It was found that the built orientation was more effective than the cooling methods on ultimate tensile strength (UTS) and elongation at break (EaB), so that UTS and EaB of the edgewise parts were 10%, 50% greater than the flat parts. However, the applied slowest cool-down method slightly increased the edgewise parts crystallinity to 23%, compared to 19.2% for the normal cooled down samples. In addition, the impact resistance of parts was measured by the Izod impact test. The results represented that changing the scanning pattern in normal cooling mode impressed the impact properties. However, the long cooling method decreased the differences of impact resistance in the various scanning patterns. Additionally, changing the built orientation of the samples from the edgewise to flat position resulted in a decrease of the impact strength in diverse cooling methods. The DSC analysis and SEM images outcomes were utilized to describe the obtained results. Keywords: Selective laser sintering, PA12, Mechanical properties, Thermal history, Crystalline structure

: روش ساخت افزودنی تَف جوشی انتخابی به کمک لیزر (Selective Laser Sintering-SLS)، از جمله فرآیند¬های ساخت افزودنی بر پایه ذوب بستر پودر محسوب می¬گردد که به دلیل قابلیت¬هایی چون توانایی فرآوری هندسه های پیچیده و دقت ابعادی مناسب توانسته علاقه مندان بسیاری را در صنایع مختلف مانند پزشکی، دندانپزشکی، خودرو سازی و هوافضا به سوی خود جلب نماید. از آنجایی که تاریخچه حرارتی قطعه در محفظه ساخت بر خواص مکانیکی آن تاثیرگذار خواهد بود، لذا در این رساله هدف بررسی تاثیر رژیم‌های حرارتی مختلف بر خواص مکانیکی قطعات ساخته شده از جنس پلی آمید 12 می¬باشد. به عنوان اولین اقدام در این راستا و عدم دسترسی به دستگاه مورد نیاز، طراحی و ساخت تجهیز فرآیند به انجام رسید. در ادامه، به منظور بررسی تاثیر تاریخچه حرارتی بر خواص مکانیکی ابتدا، با استفاده از یک تجهیز خاص، به روش تجربی مقدار تغییرات دما داخل محفظه ساخت متاثر از تغییرات اعمال شده به سیستم حرارتی، اندازه گیری و ثبت گردید. بر اساس داده¬های بدست آمده سه روش سرد شدن متفاوت برای ساخت قطعات اتخاذ و برای هر حالت، دو سری قطعات نمونه آزمون مکانیکی ساخته شد. یک سری نمونه ها در وضعیت خوابیده و سری دیگر در وضعیت ایستاده روی پهلو ساخته شد تا تاثیر تغییر وضعیت ساخت نیز بر خواص مکانیکی بررسی گردد. مقدار استحکام نهایی و ازدیاد طول قبل از شکست در بخش آزمون های استاتیکی تعیین گردید. نتایج نشان داد تغییرات نرخ سرد شدن، برای حالت افقی تاثیر مشخصی روی استحکام نهایی قطعات نداشته لکن برای قطعات ایستاده روی پهلو، با کاهش نرخ سرد شدن مقدار استحکام کششی حداکثر قبل از شکست به میزان 10 درصد افزایش داشته است. علاوه بر این، در حالت های سرد شدن مشابه، مقدار استحکام قطعات ایستاده نسبت به خوابیده به میزان 9 الی 12 درصد افزایش داشته است. طبق بررسی ها، افزایش دمای محفظه ساخت حین ساخت قطعات ایستاده یکی از عوامل تاثیرگذار بر این افزایش استحکام بوده است. همچنین، مقدار ازدیاد طول قبل از شکست نمونه ها در حالت ایستاده به مقدار 50 درصد نسبت به خوابیده افزایش داشته است. آزمون گرماسنجی تفاضلی و پراش اشعه ایکس به منظور بررسی درصد کریستال موجود در ساختار قطعات انجام گرفت. نتایح نشان داد که با کاهش نرخ سرد شدن در هر دو وضعیت ساخت، درصد کریستالی شدن ساختار قطعات افزایش داشته به طوری که نمونه ساخته شده در وضعیت ایستاده و سرد شده در طولانی ترین روند، بیشترین درصد شبکه کریستالی در بین نمونه ها را داشته است. از مدل غیرهمدمای ناکامورا جهت بررسی عددی روابط مربوط به تغییرات دما و نرخ تشکیل کریستال استفاده و نتایج نشان داد که با کاهش نرخ سرد شدن سرعت رشد کریستال ها کاهش می¬یابد. تصاویر گرفته شده از سطح شکست قطعات نشان داد که نمونه¬های ساخته شده در حالت افقی دارای نواقص ساختاری بیشتری از جمله تخلخل نسبت به نمونه های ایستاده بوده و لذا مقدار استحکام کمتر آنها در آزمون کشش را توجیه می¬نماید. در بخش دیگر، استحکام در برابر ضربه توسط آزمون ایزود مورد بررسی قرار گرفت. اثر تغییر نرخ سرد کردن، سرعت روبش و الگوی روبش سطح توسط لیزر بر مقاومت به ضربه نمونه‌ها بررسی شد. نتایج نشان داد در حالت سرد شدن عادی، تغییر الگوی روبش سطح بر خواص ضربه ای تاثیر دارد به طوریکه نمونه های ساخته شده با الگوی روبش طولی 30 درصد مقاومت در برابر ضربه بیشتری نسبت به نمونه های ساخته شده با الگوی عرضی (26 و 19 کیلو ژول بر مترمربع به ترتیب برای الگوی طولی و عرضی) نشان دادند. همچنین تغییر جهت ساخت از ایستاده به خوابیده منجر به کاهش مقدار استحکام در برابر ضربه در روش های متفاوت سرد کردن شده است. وجود کریستال های متعدد با ابعاد کوچک در نمونه های ساخته شده به روش الگوی روبش طولی اصلی ترین دلیل بهبود مقاومت در برابر ضربه بوده است. در بخش شبیه سازی نرم‌افزاری، یک مدل حرارتی از بستر پودر تهیه در سه بخش جداگانه بررسی شده است. ابتدا با داده های تجربی بدست آمده از بستر پودر دستگاه، مدل اعتبار سنجی شده و سپس از آن برای بررسی تغییر شرایط مرزی حرارتی بستر و تغییر نرخ سرد شدن بخش های مختلف استفاده شده است. این مدل می¬تواند با شبیه سازی رفتار پودر در مرحله سرد شدن تاثیر تغییر شرایط مرزی بر نرخ سرد شدن مناطق مختلف بستر ساخت را نشان دهد. در پایان باید گفت که در این رساله، بررسی جامعی بر تاریخچه حرارتی قطعه در بستر ساخت و تاثیر آن بر خواص مکانیکی صورت پذیرفت. نتایج نشان داد تغییر پارامترهای ورودی با اثرگذاری بر شرایط حرارتی قطعه کاملاً بر خواص مکانیکی موثر خواهند بود. نقش ساختار پلیمر در این رابطه بسیار مهم بوده به نحوی که تغییر اندازه و تعداد نواحی کریستالی در ساختار بر مقاومت کششی و ضربه ای نقش اساسی دارد. همچنین کاهش عیوب ساختاری مانند تخلخل و نواحی پودر ذوب نشده خواص مکانیکی قطعات را به طرز محسوسی افزایش خواهد داد. کلمات کلیدی: تف جوشی انتخابی به کمک لیزر، پلی آمید 12، خواص مکانیکی، تاریخچه دما، شبکه کریستالی