A combined theoretical and experimental approach to model polyamide 12 degradation in selective laser sintering additive manufacturing
A combined theoretical and experimental approach to model polyamide 12 degradation in selective laser sintering additive manufacturing
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选择性激光烧结增材制造中聚酰胺 12 降解模型的理论与实验相结合的方法
DOI：
10.1016/j.jmapro.2021.08.051
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发表时间：
2021
影响因子：
6.2
通讯作者：
Chen, Xu
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Yang, Feifei;Chen, Xu
选择性激光烧结（SLS）可从微米级粉末中生成复杂的高性能零件。在聚酰胺12 SLS中，大量昂贵的聚酰胺12材料在增材制造（AM）工艺中保持未连接。这些材料，特别是靠近热影响区（HAZ）的材料，会经历由热氧化引起的不可逆的化学降解。尽管在理解材料的降解机制方面做出了努力，但复杂材料降解的完整建模仍然没有得到很好的理解。在这项工作中，通过理论和实验相结合的方法，我们提出了一个第一个实例的动力学模型，考虑到氧气和激光的影响，模拟材料降解聚酰胺12 SLS。通过将实际材料的降解速率映射到氧化物理和数据驱动的参数识别，我们得到了实际耦合的氧和激光效应的系数。通过灵敏度分析，得到了样品降解速率与氧化时间的拟合方程。该动力学模型可以预测纯材料或混合材料的氧化速率，使用两个容易获得的参数：材料密度和氧化时间。我们表明，激光的影响是4倍强于氧气对聚酰胺12降解的影响。预测的氧化匹配平均89.53%的实际SLS降解率，相比之下，从一个基本的自氧化模型的准确性为34.48%。此外，本文确定了如何耦合的氧气，激光照射，预热影响材料降解的速度。
Selective laser sintering (SLS) generates complex high-performance parts from micrometer-diameter powders. In polyamide 12 SLS, a considerable amount of expensive polyamide 12 materials remains un-joined in the additive manufacturing (AM) process. Such materials, particularly the ones near the heat-affected zones (HAZ), go through irreversible chemical degradations originated from thermal oxidations. Despite efforts in understanding the degradation mechanisms of the materials, full modelling of the complex material degradation remains not well understood. In this work, through a combined theoretical and experimental approach, we propose a first-instance kinetic model considering the effects of both oxygen and laser to model the material degradation in polyamide 12 SLS. By mapping the actual material degradation rates into the oxidation physics and data-driven parameter identification, we obtain the coefficients of the actual coupled oxygen and laser effects. Through sensitivity analysis, we derive the fitting equations between the sample degradation rates and the oxidation time. The proposed kinetic model can predict the oxidation rates of pure or mixed materials using two easily available parameters: materials density and oxidation time. We show that the laser effects are 4-time stronger than oxygen effects on polyamide 12 degradation. The predicted oxidation matches on average 89.53% with the actual SLS degradation rates, in contrast to a 34.48% accuracy from a basic autoxidation model. Besides, the paper identifies how coupling of oxygen, laser irradiation, and preheating impacts the rate of material degradation.
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