مقدمة
أصبح التصنيع الإضافي — ولا سيما تقنية النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM) — تقنية مستخدمة على نطاق واسع للإنتاج السريع والمرن للمكونات القائمة على البوليمرات. بالإضافة إلى الخصائص الميكانيكية، يزداد أهمية السلوك الحراري للأجزاء المطبوعة بشكل متزايد. خاصة بالنسبة للمكونات الوظيفية، والأغلفة المعرضة للضغط الحراري، والنماذج الأولية الموجهة للتطبيقات، أو المكونات المعرضة لتوليد الحرارة الموضعي، فإن معرفة الانتشار الحراري أمر ضروري لتقييم سلوك المادة في ظل ظروف التشغيل الفعلية.
تعد البوليلاكتيدات (PLA) من بين المواد الأكثر استخدامًا في الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية FDM. ومع ذلك، وبسبب ترسيب هذه المادة طبقةً تلو الأخرى، قد تظهر خصائص فيزيائية حرارية تعتمد على الاتجاه داخل بنية الطباعة. يؤثر اتجاه الخيوط، وظروف التبريد، والاندماج بين الخيوط المتجاورة على سرعة انتقال الحرارة عبر المكون المطبوع.
مهمة القياس
في هذه الدراسة، تم تحليل معامل الانتشار الحراري لعينات PLA المطبوعة على النحو المبين أعلاه. تم تصنيع العينات بنفس سرعة الطباعة ولكن باتجاهات مختلفة. وكان الهدف هو دراسة تأثير اتجاه الطباعة وترتيب الخيوط الناتج عن ذلك على انتشار الحرارة داخل المادة.
طُبعت العينات بسرعة 60 مم/ثانية. ويمثل النوعان الأول والثاني طبقات خيوط فردية مودعة بشكل مسطح مباشرةً على سطح الطباعة – أحدهما بمسار خيوط خطي والآخر بمسار خيوط حلزوني. أما العينة الثالثة فقد صُنعت بشكل عمودي على سطح الطباعة وتُظهر اندماجًا رأسيًّا للخيوط.
الطريقة وشروط القياس
تم تحديد معامل الانتشار الحراري باستخدام طريقة تحليل الوميض الضوئي (LFA) من خلال موقع NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . في طريقة الوميض، يتم تسخين الجانب الأمامي لعينة مستوية ومتوازية بواسطة نبضة طاقة قصيرة. ويتم تسجيل الارتفاع الناتج في درجة الحرارة على الجانب الخلفي للعينة دون تلامس بواسطة كاشف يعمل بالأشعة تحت الحمراء. يتم حساب معامل الانتشار الحراري لعينة PLA من منحنى الإشارة المتغير بمرور الوقت.
وقد استُخدم النموذج القياسي* في التقييم. وترد شروط القياس الأساسية ملخصة في الجدول 1.
*يأخذ النموذج القياسي في الاعتبار فقدان الحرارة ثنائي الأبعاد (محور z والشعاعي) على غرار نموذج كيب-ليمان [1] السابق.
الجدول 1: شروط القياس
| المعلمة | القيمة |
|---|---|
| العينة | البوليلاكتيد (PLA) |
| الجهاز | LFA 717 HyperFlash® |
| جهاز الكشف | MCT |
| حامل العينة | 4 عينات، مربعة |
| معدل التسخين | 10 كلفن/دقيقة |
| نطاق درجة الحرارة | من -100 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية |
| أبعاد العينة | 10 مم × 10 مم × 09 مم |
نتائج القياس
تُظهر المقارنة المباشرة بين منحنيات الانتشار الحراري للعينات الثلاث من مادة PLA تأثيرًا واضحًا لاتجاه الطباعة. فالعينات المطبوعة أفقيًّا على قاعدة الطباعة غير المسخنة، سواءً بمسارات خطية أو حلزونية للخيوط، تُظهر قيم انتشار حراري متشابهة. أما العينة المطبوعة عموديًّا مع انصهار الخيوط عموديًّا، فتُظهر قيمًا أعلى على مدى نطاق درجات الحرارة الذي شملته الدراسة.
ويشير هذا الانتشار الحراري الأعلى إلى انتشار أكثر كفاءة للحرارة على طول بنية الخيوط المتصلة عموديًا. ومن الأسباب المحتملة لذلك ارتفاع درجة الانصهار داخل الخيوط أو بينها، مدعومًا بالترصيف العمودي ونقل الحرارة إلى مادة PLA التي تم بثقها بالفعل وتبرد.
في جميع مجموعات البيانات، لوحظت قفزة واضحة في الانتشار الحراري عند حوالي 60 درجة مئوية. ويُعد هذا التأثير سمة مميزة للانتقال الزجاجي لـ PLA. ويشير هذا الانتقال إلى التحول من حالة مادية زجاجية إلى حالة تشبه المطاط بشكل متزايد، ويؤثر بالتالي على حركة جزيئات البوليمر، ومن ثم على خصائص نقل الحرارة الخاصة به.
ملخص
تُظهر نتائج القياس أن اتجاه الطباعة له تأثير كبير على الانتشار الحراري لمادة PLA المطبوعة بتقنية FDM. وعلى وجه الخصوص، تُظهر العينة المُبنية عموديًا مع انصهار الخيوط عموديًّا انتشارًا حراريًّا أعلى مقارنةً بالنماذج المطبوعة أفقيًّا.
يتيح تحليل وميض الضوء باستخدام جهاز قياس التوصيل الحراري LFA 717 HyperFlash® تحديدًا موثوقًا للخصائص الفيزيائية الحرارية التي تعتمد على الاتجاه. وهذا يجعل من الممكن قياس الاختلافات المرتبطة بالعملية في السلوك الحراري للمواد المصنعة بطريقة التصنيع الإضافي، واستخدام النتائج لتحسين معلمات الطباعة، وهندسة المكونات، واستراتيجيات التصنيع.