Study and evaluation of different combinations of virgin and processed PA material for Selective Laser Sintering technology

Abstract

Selective Laser Sintering (SLS) has proved to be an excellent process for prototyping functional parts of engineering thermoplastics such as Polyamide 12. However, due to the processing conditions, mainly the high temperatures involved in the building chamber, the material undergoes physical and chemical changes which affects the performance of the powder and preclude its full reuse for the next process. So, it is necessary an effective management of the mixture ratio between virgin and processed material, this being a critical factor of the SLS process. Therefore, the objective of this research was to study the effect that successive reprocessing has in PA2200 powder and to understand the influence of these powders on the quality of the final parts, without changing the processing parameters. Therefore, for that propose, two experimental investigations were studied: i) the behaviour of the aged powder without mixtures and ii) the behaviour of the mixture of aged powder with 30% of virgin powder. Both investigations were performed through five cycles of production in order to understand the full degradation of the powder. To ensure the total reproducibility of the SLS process over the cycles according to the conditions studied, dimensional, mechanical, thermal and microstructural tests were performed. Afterwards, the obtained data from the experimental procedures was used to validate a theoretical basis algorithm, suitable for the prediction of the properties of mixtures of virgin and processed polymeric materials. The aim of this validation was to be able to predict the minimum amount of virgin polymer to be added to the recycled material in order to obtain parts without significant loss of properties after a very high number of cycles. The results of this research showed that the powder properties conferred by the process conditions over the cycles and the building orientation has a considerable influence on the final parts properties, especially, dimensionally and mechanically. Specimens oriented at 0º were distinguished by the best surface quality, dimensional resolution and mechanical performance. In the powders, were also observed important morphological characteristics with recognized effect on the proper performance of the building process.

Sinterização Seletiva a Laser (SSL) tem provado ser um excelente processo para prototipagem de peças funcionais de materiais termoplásticos de engenharia, como é o caso da Poliamida 12. No entanto, dadas as condições do processo, nomeadamente as elevadas temperaturas envolvidas no interior da câmara de construção, o material sofre alterações físicas e químicas, o que condiciona o desempenho do pó e impede o seu total reaproveitamento para o processo seguinte. Assim, é pertinente que haja uma gestão eficaz de uma mistura desse mesmo material com material virgem, sendo este, um fator crítico do processo SSL. Portanto, o principal objetivo desta investigação foi estudar o efeito que o sucessivo reprocessamento tem nos pós PA2200 e entender a influência desses pós na qualidade das peças finais, sem alteração nos parâmetros de processo. Para esse propósito, duas investigações experimentais foram estudadas i) o comportamento do pó envelhecido sem misturas e ii) o comportamento da mistura de pó envelhecido com 30% de pó virgem. As duas investigações foram realizadas ao longo de cinco ciclos de produção, de modo a entender a completa degradação do pó. Para garantir a total reprodutibilidade do processo SSL ao longo dos ciclos de acordo com as condições em estudo, foram realizados testes dimensionais, mecânicos, térmicos e microestruturais. Por último, os dados obtidos dos procedimentos experimentais foram utilizados para validar um algoritmo de base teórica, adequado para a predição das propriedades da mistura de materiais poliméricos virgens e processados. O objetivo desta validação foi poder prever a quantidade mínima de pó virgem a ser adicionada ao material reciclado de modo a obter peças sem perda significativa de propriedades após um elevado número de ciclos. Os resultados da investigação mostraram que as propriedades do pó conferidas pelas condições de processo ao longo dos ciclos e a orientação de construção apresentam uma considerável influência nas propriedades das peças finais, especialmente, dimensional e mecanicamente. Provetes orientados a 0º destacaram-se pela melhor qualidade superficial, resolução dimensional e performance mecânica. Nos pós também foram observadas importantes características morfológicas com reconhecido efeito no próprio desempenho do processo de construção.