Úvod
Aditivní výroba – zejména technologie modelování tavením (FDM) – se stala široce používanou technikou pro rychlou a flexibilní výrobu komponentů na bázi polymerů. Kromě mechanických vlastností nabývá na významu také tepelné chování tištěných dílů. Zejména u funkčních komponent, tepelně namáhaných krytů, prototypů určených pro konkrétní aplikace nebo komponent vystavených lokálnímu vyzařování tepla je znalost tepelné difuzivity nezbytná pro vyhodnocení chování materiálu v reálných provozních podmínkách.
Polylaktidy (PLA) patří mezi nejčastěji používané materiály v 3D tisku technologií FDM. Vzhledem k vrstvenému nanášení tohoto materiálu však mohou ve struktuře tisku vzniknout termofyzikální vlastnosti závislé na směru. Orientace vláken, podmínky chlazení a tavení sousedních vláken ovlivňují, jak rychle se teplo přenáší skrz tištěný díl.
Měřicí úkol
V této studii byla analyzována Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita vzorků z PLA vytištěných výše uvedeným způsobem. Vzorky byly vyrobeny při stejné rychlosti tisku, avšak v různých orientacích. Cílem bylo prozkoumat vliv orientace tisku a z ní vyplývajícího uspořádání filamentu na šíření tepla v materiálu.
Vzorky byly vytištěny rychlostí 60 mm/s. Dvě varianty představují jednotlivé vrstvy filamentu nanesené rovně přímo na tiskovou podložku – jedna s lineární a druhá se spirálovou dráhou filamentu. Třetí vzorek byl vytvořen kolmo k tiskové podložce a vykazuje vertikální tavení filamentu.
Metoda a podmínky měření
Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita byla stanovena metodou Light Flash Analysis (LFA) s využitím softwaru NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Při této metodě je přední strana rovinně-paralelního vzorku zahřívána krátkým energetickým impulsem. Výsledný nárůst teploty na zadní straně vzorku je bezkontaktně zaznamenáván infračerveným detektorem. Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita vzorku PLA se vypočítává z časově závislé signální křivky.
Pro vyhodnocení byl použit standardní model*. Základní měřicí podmínky jsou shrnuty v tabulce 1.
*Standardní model zohledňuje dvourozměrné (osa z a radiální) tepelné ztráty podobně jako dřívější model Cape-Lehman [1].
Tabulka 1: Měřicí podmínky
| Parametr | Nastavení |
|---|---|
| Vzorek | Polylaktid (PLA) |
| Přístroj | LFA 717 HyperFlash® |
| Detektor | MCT |
| Držák vzorku | 4 vzorky, čtvercový |
| Rychlost ohřevu | 10 K/min |
| Teplotní rozsah | -100 °C až 125 °C |
| Rozměry vzorku | 10 mm × 10 mm × 0,9 mm |
Výsledky měření
Přímé srovnání křivek tepelné difuzivity tří vzorků PLA ukazuje zřejmý vliv orientace tisku. Vzorky vytištěné vodorovně na nevyhřívané tiskové podložce s lineárními nebo spirálovitými drahami filamentu vykazují srovnatelné hodnoty tepelné difuzivity. Vzorek vytištěný svisle s vertikálním tavením filamentu však vykazuje vyšší hodnoty v celém zkoumaném teplotním rozsahu.
Tato vyšší Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita naznačuje účinnější šíření tepla podél vertikálně propojené struktury filamentu. Jedním z možných důvodů je vyšší stupeň tavení uvnitř filamentu nebo mezi filamenty, k čemuž přispívá vertikální vrstvení a přenos tepla na již extrudovaný, ochlazující se PLA.
Ve všech datových souborech je pozorován výrazný skok v tepelné difuzivitě kolem 60 °C. Tento jev je charakteristický pro skelný přechod PLA. Tento přechod označuje změnu z sklovitého do stále více gumovitého stavu materiálu a odpovídajícím způsobem ovlivňuje molekulární pohyblivost polymeru, a tím i jeho vlastnosti přenosu tepla.
Shrnutí
Výsledky měření ukazují, že orientace tisku má významný vliv na tepelnou difuzivitu PLA tištěného technologií FDM. Zejména vzorek vytištěný ve svislém směru se svislým tavením filamentu vykazuje vyšší tepelnou difuzivitu než varianty tištěné v horizontálním směru.
Analýza pomocí světelného záblesku (Light Flash Analysis) s přístrojem LFA 717 HyperFlash® umožňuje spolehlivou charakterizaci těchto orientačně závislých termofyzikálních vlastností. Díky tomu je možné kvantifikovat procesní rozdíly v tepelném chování aditivně vyráběných materiálů a výsledky využít k optimalizaci tiskových parametrů, geometrie komponent a výrobních strategií.