L’invecchiamento termico influisce sulle parti in fibra di carbonio stampate in 3D?


I progressi nello sviluppo di compositi per la produzione additiva si sono accelerati negli ultimi anni, con una crescente ricerca e innovazione sia nell’AM desktop che industriale utilizzando i compositi, utilizzando la tecnologia della fibra tritata o continua, con fibre di carbonio o nanotubi o fibre di vetro più tipicamente utilizzate per rinforzo.

I materiali compositi stampati in 3D e le strutture sandwich (anima leggera inserita in fogli sottili) sono stati oggetto di crescenti ricerche presso università e laboratori nazionali. Ma l’attenzione si è concentrata maggiormente sullo studio della rottura da compressione, capacità di carico, duttilità, morfologia, trazione o proprietà di attrito. Questo studio, pubblicato sul Polymer Testing Journal , è una collaborazione tra ricercatori della Deakin University (Australia) e dell’Università di Siegen (Germania), e l’obiettivo era quello di indagare l’impatto sulle prestazioni o le proprietà nelle strutture composite stampate in 3D (in particolare i nuclei). causato da un invecchiamento termico accelerato.

Gli autori hanno scelto di concentrarsi qui a causa della mancanza di ricerca investigativa in quest’area, e più pertinentemente, perché tali materiali / strutture stampati in 3D verranno applicati in varie condizioni di temperatura e la comprensione di come la temperatura influisce sulle loro proprietà meccaniche e le strutture molecolari informerebbero il futuro. applicazioni e sviluppo dei materiali. In effetti, lo sviluppo di materiali compositi e le applicazioni che utilizzano l’AM stanno crescendo rapidamente con il mercato dei compositi che dovrebbe raggiungere i 10 miliardi di dollari entro il 2028, secondo il rapporto 2018 di SmarTech , compresa la produzione di parti, hardware e materiali. Le applicazioni dell’industria aerospaziale e medica sono attualmente fattori chiave per i compositi, ma si prevede che presto si espanderà in altri settori automobilistico, edile, energetico e dei prodotti di consumo.

FDM (utilizzando un FlashForge Creator Pro) è stato scelto per fabbricare due tipi di struttura composita, utilizzando ABS e ASA (acrilonitrile stirene acrilato) con fogli in fibra di carbonio. Sono state fabbricate due strutture topologiche per il nucleo, una a traliccio o triangolare e l’altra a nido d’ape o esagonale. Per comprendere gli effetti del carico e dell’invecchiamento termico sulle strutture, sono stati utilizzati test di compressione, trazione e flessione su tre punti per studiare il comportamento meccanico e il cedimento di questi componenti.

Lo studio ha anche accennato al modo in cui il rinforzo continuo delle fibre può fornire migliori proprietà di carico di rottura rispetto alla fibra tagliata, poiché il fallimento iniziale tendeva a verificarsi alle intersezioni dei filamenti all’interno delle pareti cellulari: “le celle a nido d’ape avevano proprietà migliori, poiché ci sono più filamenti continui tra le pareti cellulari. Anche l’invecchiamento termico ha avuto un effetto maggiore su queste giunzioni, poiché il rilassamento e la ristrutturazione delle molecole hanno aumentato la tenacità dell’unione. “

Per simulare l’invecchiamento termico, i campioni sono stati “invecchiati” sottoponendoli a temperature variabili in una camera di prova climatica. Le temperature massime / minime erano 60 gradi e 22 gradi Celsius (al di sotto della temperatura del vetro dei polimeri), con un dispositivo automatizzato di alta precisione e accuratezza, che controllava la velocità di variazione della temperatura a 1 grado Celsius / minuto.

È stato riscontrato che la struttura a nido d’ape con ASA aveva la maggiore resistenza alla flessione, proprietà di deformazione-carico più elevate e una capacità di carico complessiva più elevata (con ABS o ASA) e che l’invecchiamento termico aumentava la resistenza massima dovuta alla ricottura (e molecolare cambiamenti di struttura) in esemplari con modelli e materiali. La ricottura sembrava rafforzare i legami tra gli strati e le perle di stampa. Gli impatti dovuti all’invecchiamento termico potrebbero anche essere in gran parte attribuiti al tempo di invecchiamento, con la temperatura di invecchiamento che non ha alcun effetto significativo. I campioni stagionati termicamente avevano anche migliori proprietà di rigidità e carico di rottura, con una sollecitazione flessionale superiore del 15% rispetto ai campioni non invecchiati. Inoltre, il nucleo ASA ha ceduto a una tensione maggiore rispetto al nucleo ABS.

È interessante notare che la Deakin University è considerata tra le principali istituzioni di ricerca e istruzione in AM nel paese e in tutto il mondo. Nel 2017, Ian Gibson, professore di produzione additiva all’università , ha ricevuto l’International Freeform and Additive Manufacturing Excellence (FAME) riconoscendo i suoi successi e contributi alla stampa 3D, che includono la co-creazione delle influenti ‘Additive Manufacturing Technologies’ che ha venduto oltre 300.000 copie , che istituisce il Rapid Prototyping Journal e l’Alleanza globale delle associazioni di prototipazione rapida. Il mese scorso, l’università ha lanciato un programma di ricerca e formazione incentrato sulla tecnologia MELD, un’innovativa tecnologia AM in metallo all’aperto in grado di costruire parti, grandi o piccole, senza fondere alcun metallo. In collaborazione con la MELD Manufacturing Corporation, con sede negli Stati Uniti, l’università ha installato una macchina MELD presso la sua Advanced Metal Manufacture Facility e prevede di finanziare ulteriori ricerche su materiali, efficienza e applicazioni per la tecnologia MELD.

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