Въведение
Адитивното производство – и по-специално моделирането чрез наслагване (FDM) – се превърна в широко използвана техника за бързо и гъвкаво производство на компоненти на полимерна основа. Освен механичните свойства, все по-голямо значение придобива и термичното поведение на отпечатаните детайли. Особено при функционални компоненти, корпуси, подложени на термично натоварване, прототипи, предназначени за конкретни приложения, или компоненти, изложени на локално генериране на топлина, познаването на термичната дифузия е от съществено значение за оценката на поведението на материала при реални експлоатационни условия.
Полилактидите (PLA) са сред най-често използваните материали в 3D печатането чрез FDM. Поради наслагването на този материал слой по слой обаче в структурата на отпечатъка могат да възникнат термофизични свойства, зависещи от посоката. Ориентацията на нишките, условията на охлаждане и сливането между съседните нишки оказват влияние върху скоростта, с която топлината се пренася през отпечатания компонент.
Задача за измерване
В настоящото проучване беше анализирана топлинната дифузия на PLA проби, отпечатани както е показано по-горе. Пробите бяха произведени при една и съща скорост на печат, но с различна ориентация. Целта беше да се проучи влиянието на ориентацията на печат и произтичащото от нея подреждане на филамента върху разпространението на топлината в материала.
Пробите бяха отпечатани със скорост 60 mm/s. Два варианта представляват отделни слоеве от нишки, нанесени плоско директно върху печатащата повърхност – единият с линейна, а другият със спирална траектория на нишките. Третата проба беше изградена перпендикулярно на печатащата повърхност и показва вертикално сплавяване на нишките.
Метод и условия за измерване
Термичната дифузия беше определена чрез анализ с светлинен импулс (LFA), като се използва софтуерът „ NETZSCH “ LFA 717 HyperFlash®. При метода с светлинен импулс предната страна на плоско-паралелна проба се нагрява с кратък енергиен импулс. Полученото повишение на температурата на задната страна на пробата се регистрира безконтактно с инфрачервен детектор. Топлинната дифузия на пробата от PLA се изчислява въз основа на кривата на сигнала във времето.
За оценката беше използван Стандартният модел*. Основните условия на измерване са обобщени в Таблица 1.
*Стандартният модел разглежда двуизмерната (по оста z и радиално) топлинна загуба по подобен начин като по-ранния модел на Cape-Lehman [1].
Таблица 1: Условия за измерване
| Параметър | Настройка |
|---|---|
| Проба | Полилактид (PLA) |
| Уред | LFA 717 HyperFlash® |
| Детектор | MCT |
| Държач за проби | 4 проби, квадратни |
| Скорост на нагряване | 10 K/min |
| Температурен диапазон | от -100 °C до 125 °C |
| Размери на пробите | 10 mm x 10 mm x 09 mm |
Резултати от измерванията
Прякото сравнение на кривите на топлинната дифузия на трите проби от PLA показва ясно влияние на ориентацията на печат. Пробите, отпечатани хоризонтално върху незагрята печатна платформа с линейни или спираловидни траектории на филамента, демонстрират сравними стойности на топлинната дифузия. Пробата, отпечатана вертикално с вертикално сплавяване на филамента, обаче показва по-високи стойности в изследвания температурен диапазон.
Тази по-висока топлинна дифузия показва по-ефективно разпространение на топлината по вертикално свързаната структура на филамента. Една възможна причина е по-високата степен на вътрешно- или междуфиламентно сплавяване, подпомогнато от вертикалното наслагване и преноса на топлина към вече екструдирания и охлаждащ се PLA.
Във всички набори от данни се наблюдава ясно изразен скок в топлинната дифузия при около 60 °C. Този ефект е характерен за стъкления преход на PLA. Преходът бележи преминаването от стъклено към все по-гуменоподобно състояние на материала и съответно засяга молекулната подвижност на полимера, а оттам и неговите свойства за пренос на топлина.
Резюме
Резултатите от измерванията показват, че ориентацията на печат оказва значително влияние върху топлинната дифузия на PLA, отпечатан чрез FDM. По-конкретно, вертикално изградената проба с вертикално сплавяване на филамента показва по-висока топлинна дифузия в сравнение с хоризонтално отпечатаните варианти.
Анализът с Light Flash с помощта на системата „ LFA 717 HyperFlash® “ позволява надеждно охарактеризиране на такива термофизични свойства, зависещи от ориентацията. Това дава възможност за количествено определяне на свързаните с процеса разлики в термичното поведение на материалите, произведени чрез аддитивна технология, и използване на резултатите за оптимизиране на параметрите на печат, геометрията на компонентите и производствените стратегии.