Studio sull’anisotropia nelle proprietà dielettriche delle stampe 3d

Un adeguato orientamento e tecnica di stampa 3D può introdurre l’anisotropia della resistenza dielettrica nei componenti dell’isolante

La stampa 3D è stata applicata a più progetti attraverso i vari rami dell’esercito americano. Tuttavia, prima che la tecnologia possa essere utilizzata per applicazioni più critiche, alcuni dei suoi problemie imperfezioni devono ancora essere meglio compresi e conquistati. L’Air Force Research Lab ( AFRL), con sede a Wright-Patterson Air Force Base ( WPAFB ) vicino a Dayton, nell’Ohio, lavora per demistificare la tecnologia e capire come applicarla a vari progetti , come celle solari a basso costo e chip di silicio .

L’industria della stampa 3D ha visto molti progressi negli ultimi dieci anni e consente la produzione di isolatori dielettrici con geometrie molto complesse. Ma qualcosa che causa problemi con i sistemi di generazione e distribuzione di alta tensione è lo stress del campo elettrico sui componenti isolanti dielettrici, come le boccole, che possono causare eventi di guasto dielettrico che danneggiano tali componenti e riducono la durata del sistema.


Al momento non sono disponibili molti dati di rigidità dielettrica per molti materiali di stampa 3D, che possono limitare il loro utilizzo quando potrebbe non essere necessario farlo. Abbiamo bisogno di saperne di più sui limiti delle parti stampate in 3D che derivano specificamente dal metodo di stampa dato prima che possa iniziare l’uso diffuso di isolanti dielettrici stampati in 3D in ambienti ad alto campo. Ulteriori ricerche aiuteranno inoltre a guidare lo sviluppo di nuovi sistemi e materiali di stampa 3D che sono adatti per la creazione di parti per queste applicazioni.

L’AFRL si è impegnata a fare proprio questo, e insieme ai ricercatori dell’AFRL situati nel KIRTLAND AFB del New Mexico , l’ Aramco Research Center  di Boston e UES, Inc. , hanno pubblicato un articolo dal titolo “L’ eterogeneità della rigidità dielettrica associata all’orientamento della stampa in modo additivo produzione di materiali polimerici , “nel giornale Additive Manufacturing .

L’abstract dice: “L’anisotropia nelle proprietà dielettriche può avere effetti deleteri in strutture destinate all’uso in ambienti di alto campo. Mostriamo che l’anisotropia dielettrica viene introdotta in parti fabbricate usando tecniche di produzione additiva basate sull’orientamento in cui viene stampata la parte. I dati dei test di rigidità dielettrica, basati sullo standard ASTM D149, sono presentati per campioni fabbricati utilizzando la tecnologia di polimerizzazione (PolyJet), la stereolitografia (SLA), la modellazione con deposizione fusa (FDM) e le tecniche di produzione additiva di sinterizzazione laser (SLS). Ogni singola direzione di stampa disponibile, basata sul metodo di stampa, è stata esaminata a turno. Ogni tecnica di stampa è stata trovata per introdurre proprietà dielettriche anisotropiche all’interno dei provini del campione che erano una funzione dell’orientamento originale in cui è stata stampata la parte, e la direzione della suscettibilità strutturale è risultata dipendente dal metodo di stampa. Le differenze di rigidità dielettrica per i coupon stampati in diversi orientamenti sono risultate superiori al 70% per alcune combinazioni di tecnica di stampa e polimero. ”
I ricercatori hanno spiegato che la durata e la dimensione degli isolatori possono essere ottimizzati meglio, aumentando l’affidabilità del sistema ad alta tensione e abbassando i costi dei componenti, facendo attenzione nella scelta della loro geometria. I dati raccolti nel loro studio dimostrano che l’anisotropia della rigidità dielettrica può essere introdotta in una struttura stampata in 3D selezionando l’orientamento di stampa corretto rispetto alla piattaforma di costruzione.

Immagini al microscopio post-guasto dei campioni VeroBlue che mostrano la posizione del guasto dielettrico ad alta tensione. Il set di immagini contiene foto anteriori e posteriori da un coupon guasto (V1), (V2) e (H), testato secondo lo standard ASTM D149. I danni osservabili in questo set di immagini sono rappresentativi del danno presente dopo l’interruzione dielettrica in tutti i coupon campione VeroBlue PolyJet.
Secondo il documento, “L’origine dell’anisotropia della rigidità dielettrica è in gran parte una conseguenza della tecnica di stampa utilizzata. Alcune tecniche di stampa conferiscono suscettibilità al guasto dielettrico basato sulla polimerizzazione incompleta dei materiali di partenza e altri attraverso l’introduzione di microdomini strutturali o vuoti che possono conferire suscettibilità alla rottura dielettrica alla parte stampata. ”
Risultati dei test di rigidità dielettrica per campioni stampati con SLA dello spessore di 1 mm.
Per il loro studio, il team ha discusso i meccanismi di guasto dielettrico e ha anche esaminato la ripartizione dielettrica delle strutture di prova del modello (coupon) fabbricate utilizzando quattro dei metodi più comuni di stampa 3D: PolyJet, SLA, SLS e FDM.

I risultati hanno mostrato che i tagliandi di prova stampati in 3D utilizzando il grado di eterogeneità della rigidità dielettrica della tecnologia SLA sono risultati i più piccoli nei tagliandi SLA. L’ orientamento “(V) fornisce la massima rigidità dielettrica e gli orientamenti (H) che mostrano riduzioni di forza dielettrica di 8,3 e 16,1% per WaterShed 11122 e ProtoGen.” Come previsto con FDM la differenza “nella rigidità dielettrica tra le strutture stampate nella (H ) e gli orientamenti (V1 / V2) sono risultati superiori al 73% nei campioni ABS-M30 e superiori al 23% nei campioni ABS-M30i. “I tagliandi SLS, avevano ridotto la forza dialettica nell’orientamento ” (V), rispetto a (H) campioni orientati. Questa differenza era approssimativamente del 31% per le strutture DuraForm HST e del 16% per le strutture Nylon EX. “Polyjet, “ha mostrato una drastica riduzione della rigidità dielettrica nell’orientamento (V1), rispetto agli orientamenti (V2) e (H). Per le strutture stampate usando il fotopolimero VeroBlue, questa differenza era superiore al 50%; la differenza ha superato il 70% per i campioni stampati con il fotopolimero VeroAmber. ”

La polimerizzazione non uniforme è stata attribuita a causa di questi problemi in Polyjet a causa del posizionamento della testina di stampa rispetto al laser, mentre in SLA il problema era la polimerizzazione anisotropica con percorsi laser diversi che si verificano in diverse aree della parte. In SLS, “le reti di pori formate come un artefatto del processo di stampa sono probabilmente il più forte contributore alle differenze osservate” mentre in FDM un Vuoto Layergaps è una probabile causa.

Co-autori del giornale sono Brad W. Hoff, Sabrina S. Maestas, Steven C. Hayden, Daniel J. Harrigan, Rachael O. Grudt, Michele L. Ostraat, John C. Horwath e Serhiy Leontsev.

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