Afstemmen van procesparameters en polymeerpoederformulering voor laser sinteren

Additive Manufacturing (AM, additief ververvaardigen), in het algemeen ook 3D printen genoemd, is een groep van nieuwe technologiën die toestaan geometrisch complexe werkstukken te produceren zonder specifieke gereedschappen. De markt van AM-technieken en -producten heeft een consistente groei doorgemaakt, en breidt zich steeds verder uit naar nieuwe toepassingen. Laser Sinteren (LS) is één van deze AM-technieken, en maakt gebruik van een laser om selectief een voorverwarmd bed van thermoplastisch kunststofpoeder samen te smelten.

Onderzoek in de procesparameters voor het laser sinteren van specifieke kunststoffen is van belang voor het verder uitbreiden van de beschikbare materialen en het verbeteren van hun eigenschappen. Het grote aantal aanpasbare parameters leidt tot het langzaam en iteratief ontwikkelingen en optimaliseren van kunststofsoorten en volgt nog vaak een aanpak van trial-and-error. Dit werk doelt op het bepalen en toepassen van meer rigoureuse benaderingen om bestaande conventionele ingenieurskunststoffen aan te passen en te optimaliseren, zodat ze de vereiste fysische karakteristieken voor Laser Sinteren vertonen.

Ondersteunend aan dit onderzoek worden de methodes voor het bepalen van de poederkarakeristieken en het thermisch gedrag relevant voor Laser Sinteren besproken. Deze karakteristieken geven aanwijzing van procesparameters, zoals de poederbedtemperaturen en laserparameters, die leiden tot succesvolle stukken, en geven richting aan de materiaalontwikkeling.

In het ontwikkelen van kunststoffen voor LS is het temperatuurvenster (temperature window) gedefinieerd als het interval tussen de aanvang van het smelten en de aanvang van het kristalliseren. Dit temperatuurvenster geeft een aanwijzing voor de vereiste temperaturen in het poederbed. Daarnaast worden de laserparameters in het algemeen geoptimaliseerd door middel van de laserenergiedensiteit, een ingenieursparameter die het laservermogen, de scansnelheid en de arceerafstand van de laser bevat.

De eerste twee studies concentreren zich op niet-semikristallijne thermoplastische kunststoffen. Deze kunststoffen tonen geen duidelijk temperatuurvenster en verzachten geleidelijk als de temperatuur stijgt. De eerste studie onderzoekt de oppervlakteruwheid van enkel-lagen als een methode om poederbedtemperatuur en laserenergiedensiteit te bepalen voor een amorfe thermoplastische kunststof. Deze studie toont ook het belang van de poedergrootte in het vinden van optimale parameters. 

Het geleidelijk verzachten van de niet-semikristallijne thermoplasten beperkt het deponeren van homogene poederlagen op de hogere temperaturen in de bouwkamer van een LS machine. In de tweede studie worden een amorf polystyreen en een thermoplastisch kunststof geformuleerd met additieven om  de poedervloei te verbeteren. De onderzochte additieven zijn een silica vloeimiddel en carbon black. Hogere poederbedtemperaturen kunnen bereikt worden na toevoeging van deze vloeimiddelen, maar het samensmelten van de poederdeeltjes is verminderd.

De derde studie bekijkt het verwerken van hoogsmeltende ingenieurskunststoffen. De hoge smelttemperatuur van deze kunststoffen vereist normalerwijze LS machines met specifieke hogere temperatuursspecificaties. Door het gebruik van een lager smeltende kunststof als matrixmateriaal, kan toch een standaard LS machine gebruikt worden. Een combinatie van polyamide-12 met een hoogsmeltend polyamide-4,6 als vuller wordt onderzocht als een proof-of-principle.

De laatste studie maakt gebruik van het Buckingham-Pi theorema van dimensionele analyse om de materiaalkarakteristieken en procesparameters mathematisch te verbinden. De statistische analyse van twee experimentele ontwerpen die gebruik maken van deze dimensieloze Pi-groepen tonen aan dat poederbedtemperatuur en laserenergiedensiteit niet voldoen als enige procesparameters voor de optimalisatie. Procesparameters die specifiek zijn aan het materiaal (de specifieke verwarmings- en smeltenthalpie en de poederbeddensiteit) en aan het machineontwerp (de laserpuntgrootte) zijn nodige uitbreidingen voor de parameteroptimalisatie.