Degradation behaviour and reuse of selective laser sintering PA12 powders

Abstract

A Sinterização Seletiva a Laser (SLS), é uma tecnologia da família da manufatura aditiva, um ramo da engenharia que se dedica à produção de peças prontas ao uso através da construção/impressão das mesmas camada-a-camada, usando a matéria-prima em forma de pó. Esta técnica, destina-se sobretudo à impressão de materiais poliméricos, entre eles a poliamida 12 (PA12), permitindo uma grande liberdade de geometrias e boa qualidade das peças impressas, seja ela visual ou em termos de propriedades mecânicas. Após o fabrico por esta tecnologia, uma quantidade significativa de pó não é sinterizada, sendo então recolhido para reaproveitamento. No entanto existem fenómenos de degradação, especialmente térmica, limitando a sua reutilização, sendo que os fornecedores geralmente aconselham a que o número de reutilizações não ultrapasse as 12 e sempre com uma mistura de 50% de material virgem. Estes fenómenos de degradação foram estudados, através de ensaios de caracterização mecânica (testes de tração uniaxial), caracterização térmica por DSC, caracterização visual através de observação do estado das peças impressas e visualização do pó ao SEM e caracterização da porosidade por tomografia computorizada (CT). Com estes, foi concluído que, uma degradação do pó é evidente, especialmente do ponto de vista visual, afetando as características da peça impressa e comprometendo o seu correto funcionamento. O fator mais relevante notado, foi o aumento da porosidade interna das peças impressas, que para os ciclos mais avançados testados foi de tal maneira elevado que levou ao colapso das paredes da peça para o seu interior. No entanto, devido ao facto de esta tecnologia possuir um método de reciclagem bastante seletivo, os efeitos da degradação são atenuados, nomeadamente no que toca ao desempenho mecânico, que não piorou significativamente para os ciclos testados. Concluiu-se então, que a degradação do pó reutilizado em impressões por SLS tem de ser tido em conta e compreendido, mas esta tecnologia em si, mesmo quando utiliza matéria-prima virgem ou pouco reutilizada, já apresenta dificuldades em reproduzir resultados repetitivos.

Selective Laser Sintering (SLS) is an additive manufacturing technology dedicated to the production of parts through a layer-by-layer printing process, using a building material in the form of powders. This technique is intended mainly for the printing of polymeric materials, such as polyamide 12 (PA12), enabling enormous geometrical freedom and good quality of printed parts, either in terms of visual aspect, or mechanical properties. In SLS, after the manufacturing process, a large quantity of the powders is not sintered, which is recovered for reuse. However, degradation phenomena are present in this unsintered powder, namely thermal degradation, which limits its reuse. Thus, the suppliers advise a maximum of 12 cycles of reuse and always with a ratio of 50% virgin material. These phenomena were studied through a series of characterization techniques, mechanical analysis (uniaxial tensile tests), thermal characterization by DSC, visual characterization of printed parts, visualization of the powders by SEM, and porosity characterization by computed tomography (CT). With these, it was concluded that it is evident both visually and performance-wise. The most relevant factor noted, was the increase in internal the porosity of the printed parts, which for the most advanced cycles tested was so extreme that forced the printed part´s walls to collapse on each other. However, due to this technology having a very selective recycling process, the effects of degradation are minimized, namely when mechanical behaviour is concerned, which did not worsen significantly for the cycles tested. It was concluded that degradation of the reused powder used in SLS printing, has to be considered and comprehended, but this technology, even when new or semi-new powder is used, already presents reproducibility and repetitiveness problems.