PL249243B1

PL249243B1 - Sposób wytwarzania materiału kompozytowego termoplastycznego wykazującego magnetyczny efekt pamięci kształtu przeznaczonego do druku 3D

Info

Publication number: PL249243B1
Application number: PL443662A
Authority: PL
Inventors: Łukasz Hawełek; Marcin Polak; Adrian Radoń; Tymon Warski; Aleksandra Kolano-Burian; Anna Wójcik; Robert Chulist; Wojciech Maziarz
Original assignee: Instytut Metalurgii I Inzynierii Mat Im Aleksandra Krupkowskiego Polskiej Akademii Nauk; Siec Badawcza Lukasiewicz Inst Metali Niezelaznych
Priority date: 2023-01-31
Filing date: 2023-01-31
Publication date: 2026-03-16
Also published as: PL443662A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania materiału kompozytowego termoplastycznego wykazującego magnetyczny efekt pamięci kształtu przeznaczonego do druku 3D, poprzez który rozpuszczenie polimeru ABS, który charakteryzuje się tym, że do rozpuszczonego polimeru ABS dodaje się proszek z magnetycznym efektem pamięci kształtu stanowiący stop na osnowie faz Heuslera w ilości do 90% wagowych proszku, a resztę stanowi polimer ABS, po czym mieszaninę poddaje się sonikacji przy częstotliwości 20 - 30 kHz z mocą 10 - 20 W do momentu odparowania rozpuszczalnika, a następnie znanymi metodami uzyskuje się kompozyt w postaci drutu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania materiału kompozytowego termoplastycznego wykazującego magnetyczny efekt pamięci kształtu, przeznaczonego do druku 3D.

Materiały inteligentne, w których zachodzi efekt pamięci kształtu wykazują zdolność do przyjmowania jednego z 2 zaprogramowanych kształtów w wyniku przemiany fazowej na skutek zmiany temperatury, przyłożonych sił zewnętrznych lub pola magnetycznego. Samo to zjawisko umożliwia nie tylko odzyskanie zadanego wcześniej kształtu, ale także energii zmagazynowanej w postaci naprężeń. Magnetyczne stopy z pamięcią kształtu MSMA (z ang. Magnetic Shape Memory Alloys), podobnie jak inne materiały ferromagnetyczne, wykazują makroskopowe namagnesowanie pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, wynikające z ułożenia domen magnetycznych wzdłuż kierunku przyłożonego pola. Jednak w przeciwieństwie do standardowych materiałów ferromagnetycznych, ułożenie to uzyskuje się poprzez obrót geometryczny komórek elementarnych struktury krystalicznej stopu, przy jednoczesnym obrocie wektora domen magnetycznych. MSMAs charakteryzują się szybszym czasem reakcji, a także zapewniają precyzyjniejszy ruch elementów, w porównaniu z materiałami z pamięcią kształtu aktywowaną termicznie. Dzięki czemu mogą znaleźć zastosowanie m.in. w robotyce, chirurgii, zaworach, amortyzatorach czy w sortowaniu, głównie jako elementy siłowników, sensorów czy elementów wymagających wytworzenia sił elektromotorycznych ze strumienia magnetycznego (m.in. w pozyskiwaniu energii).

Pierwszy materiał z pamięcią kształtu indukowany polem magnetycznym został otrzymany i opisany w 1996 roku przez dr. Kari Ullakko (Ullakko K, Huang JK, Kantner C, OHandley RC, Kokorin V. V., Appl Phys Lett 1996; 69:1966), a największe odkształcenie 12% wywołane polem magnetycznym poniżej 1 T i związane z ruchem granic bliźniaczych wywołanym naprężeniem krytycznym 1,5 MPa uzyskano dla martenzytu tetragonalnego (Sozinov A, Lanska N, Soroka A, Zou W, Appl Phys Lett 2013:102:021902). Obecnie najczęściej stosowanymi MSMA są stopy Ni-Mn-Ga, ale także stopy Fe-Pd, Ni-Fe-Ga oraz stopy Ni-Mn-Ga modyfikowane o Fe, Co czy Cu. Głównym czynnikiem wpływającym na wydajność MSMA jest jej wartość anizotropii magnetycznej oraz poziom naprężenia bliźniaczego, co w konsekwencji wpływa na ruchliwość komórek elementarnych struktury krystalicznej w materiale. Warto także zaznaczyć, że efekt magnetycznej pamięci kształtu występuje w niskotemperaturowej fazie martenzytycznej materiału, gdzie komórka elementarna ma geometrię tetragonalną, rombową lub jednoskośną w zależności od typu martenzytu. Jeśli temperatura wzrośnie powyżej temperatury przemiany martenzytu w austenit i tym samym komórka zmieni geometrię na sześcienną, efekt magnetycznej pamięci kształtu jest tracony.

W ostatnich latach na uwagę naukowców i inżynierów szczególnie zwróciły uwagę kompozytowe materiały o magnetycznej pamięci kształtu, które można wykorzystać do druku 3D FDM (z ang. Fused Deposition Modelling). W tym wypadku osnową takiego kompozytu są głównie elastomery, a wypełnieniem magnetycznym są magnetycznie miękkie proszki (cząsteczki) ferrytowe (Fe3O4, NiFe2O4, (NiZn)Fe2O4), NdFeB, żelaza lub tlenku żelaza czy stopu Ni-Mn-Ga (Sanne J. M. van Vilsteren, Hooman Yarmand and Sepideh Ghodrat Review of magnetic shape memory polymers and magnetic soft materials. M agnetochemistry 7.9 (2021): 123). Druk 3D FDM przy wykorzystaniu w/w materiałów umożliwia otrzymanie zorientowanych magnetycznie elementów o kształtach oraz właściwościach niemożliwych do otrzymania innymi metodami. Przykładem zastosowania takiej metody są prace zespołu badawczego kierowanego przez Song Qi. (Qi, Song, et al. 3D printed shape-programmable magneto-active soft matter for biomimetic applications. Composites Science and Technology 188 (2020): 107973), którzy przy wykorzystaniu magnetycznie miękkiego proszku żelaza karbonylowego oraz PLA wytworzyli filament, a następnie wytworzyli, metodą druku 3D FDM, z niego element z magnetyczną pamięcią kształtu do zastosowań biomimetycznych. Podobnie metodyka została także przedstawiona w zgłoszeniu patentowym P.436317, gdzie wykorzystano sproszkowaną magnetycznie miękką taśmę na bazie żelaza oraz wypełnienie z polimerów termoplastycznych do zastosowań w druku 3D.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania materiału kompozytowego termoplastycznego wykazującego magnetyczny efekt pamięci kształtu przeznaczonego do druku 3D, poprzez rozpuszczenie polimeru ABS charakteryzuje się tym, że do rozpuszczonego polimeru ABS dodaje się proszek z magnetycznym efektem pamięci kształtu stanowiący stop na osnowie faz Heuslera w ilości do 90% wagowych proszku, a resztę stanowi polimer ABS, po czym mieszaninę poddaje się sonikacji przy częstotliwości 20-30 kHz z mocą 10-20 W do momentu odparowania rozpuszczalnika, a następnie znanymi metodami uzyskuje się kompozyt w postaci drutu. Stop na osnowie faz Heuslera stanowi NisoMmsGaaoFes [% at.].

Scharakteryzowano strukturę krystaliczną proszku wykazującego magnetyczny efekt pamięci kształtu przed i po utworzeniu kompozytu z polimerem ABS, jak i samego polimeru ABS z wykorzystaniem szerokokątowej dyfrakcji rentgenowskiej. Zebrane dyfraktogramy na Fig. 1 potwierdzają brak wpływu procesu wytwarzania kompozytu i drutu do druku 3D na strukturę krystaliczną materiału wykazującego magnetyczny efekt pamięci kształtu.

Wynalazek ilustruje poniższy przykład wykonania, niestanowiący jego ograniczenia:

1. Polimer termoplastyczny ABS poddaje się procesowi rozpuszczania:

a) do acetonu w ilości 100 ml znajdującym się w zlewce o pojemności 250 ml dodano 15 gram polimeru ABS,

b) proces rozpuszczania prowadzono za pomocą mieszadła magnetycznego: czas mieszania wynosił 8 godzin, obroty mieszadła wynosiły 300 obr./min, temperatura mieszaniny wynosiła 30°C.

2. Wytworzono proszek wykazujący magnetyczny efekt pamięci kształtu o składzie chemicznym: Ni50Mn25Ga20Fe5 [% at.]:

a) taśmę o składzie chemicznym Nis0Mn25Ga20Fes [% at.] wytworzono za pomocą metody melt-spinning,

b) taśmę w stanie po odlaniu (bez dodatkowej obróbki cieplnej) zmielono z wykorzystaniem wysokoenergetycznego mielenia w młynie wibracyjnym zawierającym jedną kulę o średnicy 50 mm i amplitudzie wibracji 1 mm, uzyskując w ten sposób proszek,

c) proszek poddano analizie sitowej w celu uzyskania trzech frakcji proszku o rozmiarach cząstek w zakresach: < 20 μm, 20-50 μm oraz 50-100 μm,

d) do dalszego procesu wytwarzania kompozytu pobrano po 10 g z każdej frakcji wymienionej w pkt 2c i wymieszano mechanicznie.

3. Rozpuszczony polimer wg pkt 1 połączono z wytworzonym proszkiem wg. pkt 2:

a) do zlewki z rozpuszczonym polimerem dodano wytworzony proszek w ilości 30 g. Proszek zdyspergowano w rozpuszczonym polimerze stosując proces sonikacji w częstotliwości 26 kHz ze stałą mocą ultradźwięków wynoszącą 10 W. Proces prowadzono do zagęszczenia mieszaniny, tj. odparowania 50 ml acetonu.

4. Wytworzenie kompozytu w postaci drutu przeznaczonego do druku 3D:

a) mieszaninę wytworzoną wg pkt 3 podgrzano do temperatury 60°C w piecu w celu odparowania z niej acetonu; czas procesu wynosił 12 godzin,

b) mieszaninę polimeru termoplastycznego ABS z proszkiem, uzyskaną wg pkt. 4a, w postaci stałej rozdrobniono mechanicznie do postaci granulatu o rozmiarze od 3 mm do 5 mm.

c) granulat poddano procesowi ekstruzji do postaci drutu o średnicy 1,75 mm; temperatura procesu wynosiła 255°C w komorze plastyfikacji granulatu, prędkość wytłaczania drutu wynosiła 8 mm/s.

Claims

1. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego termoplastycznego wykazującego magnetyczny efekt pamięci kształtu przeznaczonego do druku 3D, poprzez rozpuszczenie polimeru ABS znamienny tym, że do rozpuszczonego polimeru ABS dodaje się proszek z magnetycznym efektem pamięci kształtu stanowiący stop na osnowie faz Heuslera w ilości do 90% wagowych proszku, a resztę stanowi polimer ABS, po czym mieszaninę poddaje się sonikacji przy częstotliwości 20-30 kHz z mocą 10-20 W do momentu odparowania rozpuszczalnika, a następnie znanymi metodami uzyskuje się kompozyt w postaci drutu.

2. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego termoplastycznego według zastrz. 1 znamienny tym, że na osnowie faz Heuslera stanowi Ni50Mn25Ga20Fes [% at.].