Właściwa orientacja i technika drukowania 3D mogą wprowadzić anizotropię wytrzymałości dielektrycznej w komponenty izolatora

Drukowanie 3D zostało zastosowane do wielu projektów w różnych oddziałach armii USA. Zanim jednak technologia może zostać wykorzystana do bardziej krytycznych zastosowań, niektóre jej problemy i niedoskonałości muszą być jeszcze lepiej zrozumiane i podbite. Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych (Air Force Research Lab, AFRL) z siedzibą w Wright-Patterson Air Force Base (WPAFB) w pobliżu Dayton w stanie Ohio pracuje nad demistyfikacją technologii i opracowaniem sposobu zastosowania jej do różnych projektów, takich jak opłacalne ogniwa słoneczne i chipy krzemowe.

W branży drukarskiej 3D odnotowano duży postęp w ciągu ostatnich dziesięciu lat i pozwala na produkcję izolatorów dielektrycznych o bardzo złożonej geometrii. Ale coś, co powoduje problemy z wysokonapięciowymi układami wytwarzania i dystrybucji energii, jest naprężeniem z pola elektrycznego na dielektrycznych elementach izolacyjnych, takich jak tuleje, które mogą powodować awarie przebicia izolacji, które uszkadzają te elementy i skracają żywotność systemu. < p> Obecnie nie ma zbyt wielu danych dotyczących wytrzymałości dielektrycznej dla wielu materiałów do drukowania 3D, które mogą ograniczyć ich użycie, gdy może nie być to konieczne. Musimy dowiedzieć się więcej o ograniczeniach wydrukowanych w 3D części, które wynikają w szczególności z danej metody drukowania, zanim rozpocznie się powszechne stosowanie drukowanych izolatorów dielektrycznych 3D w środowiskach o dużym natężeniu pola. Dalsze badania pomogą również w opracowaniu nowych systemów druku 3D i materiałów, które są odpowiednie do tworzenia części do tych zastosowań.

AFRL postanowił to zrobić, a także wraz z naukowcami z AFRL z Kirtland AFB w Nowym Meksyku, Aramco Research Center w Bostonie i UES, Inc., opublikowały artykuł zatytułowany "Niejednorodność wytrzymałości dielektrycznej związanej z orientacją drukowania w dodatkowych materiałach polimerowych" w czasopiśmie Additive Manufacturing.

Streszczenie brzmi: "Anizotropia właściwości dielektrycznych może mieć szkodliwy wpływ na struktury przeznaczone do użytku w środowiskach o dużym natężeniu pola. Pokazujemy, że anizotropia dielektryczna jest wprowadzana do części wytworzonych przy użyciu technik wytwarzania dodatków w oparciu o orientację, w której część jest drukowana. Dane dotyczące wytrzymałości dielektrycznej, oparte na standardzie ASTM D149, przedstawiono dla próbek wykonanych z zastosowaniem polimerowego natryskiwania (PolyJet), stereolitografii (SLA), topionego procesu osadzania (FDM) i selektywnego spiekania laserowego (SLS)techniki wytwarzania. Każdy z unikalnych kierunków drukowania, oparty na metodzie drukowania, został zbadany po kolei. Stwierdzono, że każda technika drukowania wprowadziła anizotropowe właściwości dielektryczne w próbkach, które były funkcją pierwotnej orientacji, w której część została wydrukowana, a kierunek podatności strukturalnej okazał się zależny od metody drukowania. Stwierdzono, że różnice w wytrzymałości dielektrycznej dla kuponów drukowanych w różnych orientacjach przekraczają 70% dla niektórych kombinacji techniki drukowania i polimeru. "

Naukowcy wyjaśnili, że trwałość i rozmiar izolatorów można lepiej zoptymalizować, co zwiększa niezawodność systemu wysokiego napięcia i obniżenie kosztów komponentów dzięki ostrożnemu doborowi geometrii. Dane zebrane w ich badaniu pokazują, że anizotropię wytrzymałości dielektrycznej można wprowadzić do struktury drukowanej 3D, wybierając poprawną orientację drukowania względem platformy kompilacji.

Według artykułu "Źródło dielektryka anizotropia siły jest w dużej mierze konsekwencją stosowanej techniki drukowania. Niektóre techniki drukowania powodują podatność na awarię dielektryczną w oparciu o niepełne utwardzanie materiałów wyjściowych i innych poprzez wprowadzenie strukturalnych mikrodomen lub pustek, które mogą nadawać wrażliwość na rozkład dielektryczny na zadrukowaną część. "

zespół omówił mechanizmy uszkodzenia dielektryka, a także zbadał rozpad dielektryczny modelowych struktur testowych (kuponów) wyprodukowanych przy użyciu czterech najpopularniejszych metod drukowania 3D: PolyJet, SLA, SLS i FDM

Wyniki pokazały, że kupony testowe drukowane w 3D przy użyciu technologii SLA wykazały, że stopień niejednorodności dielektrycznej jest najmniejszy w kuponach SLA. "Orientacja" (V) dająca najwyższą wytrzymałość dielektryczną i orientacje (H) wykazujące zmniejszenie wytrzymałości dielektrycznej o 8,3 i 16,1% dla WaterShed 11122 i ProtoGen. "Zgodnie z oczekiwaniami dla FDM różnica" w wytrzymałości dielektrycznej między strukturami wydrukowanymi w (H ) i stwierdzono, że orientacje (V1 / V2) są większe niż 73% w próbkach ABS-M30 i większe niż 23% w próbkach ABS-M30i. "Kupony SLS miały obniżoną siłę dialektyczną w orientacji" (V), porównane do (H) zorientowanych próbek. Różnica ta wyniosła około 31% dla struktur DuraForm HST i 16% dla struktur Nylon EX. "Polyjet" wykazał dramatyczne zmniejszeniewytrzymałość dielektryczną w orientacji (V1) w porównaniu z orientacją (V2) i (H). W przypadku struktur drukowanych przy użyciu fotopolimeru VeroBlue różnica ta była większa niż 50%; różnica przekroczyła 70% dla próbek wydrukowanych przy użyciu fotopolimeru VeroAmber. "

Niejednolite utwardzanie przypisano do spowodowania tych problemów w Polyjet z powodu umieszczenia głowicy drukującej w laserach vis, podczas gdy w SLA problemem było utwardzanie anizotropowe z użyciem różne ścieżki laserowe występujące w różnych obszarach części. W SLS "sieci Pore utworzone jako artefakt procesu drukowania są prawdopodobnie najsilniej przyczyniającym się do zaobserwowanych różnic", podczas gdy w FDM przyczyną jest Void Layergaps.