Indledning
Additiv fremstilling – især FDM (Fused Deposition Modeling) – er blevet en udbredt teknik til hurtig og fleksibel produktion af polymerbaserede komponenter. Ud over de mekaniske egenskaber bliver de udskrevne deles termiske adfærd stadig vigtigere. Især for funktionelle komponenter, termisk belastede huse, anvendelsesorienterede prototyper eller komponenter, der udsættes for lokal varmegenerering, er kendskab til den termiske diffusivitet afgørende for at kunne vurdere materialets adfærd under reelle driftsbetingelser.
Polylactider (PLA) er blandt de mest anvendte materialer inden for FDM-3D-print. På grund af den lag-for-lag-aflejring af dette materiale kan der imidlertid opstå retningsafhængige termofysiske egenskaber inden for printstrukturen. Filamenternes orientering, afkølingsbetingelserne og sammensmeltningen mellem tilstødende tråde har indflydelse på, hvor hurtigt varmen transporteres gennem den printede komponent.
Måleopgave
I denne undersøgelse blev den termiske diffusivitet af PLA-prøver, der var udskrevet som vist ovenfor, analyseret. Prøverne blev fremstillet ved samme udskrivningshastighed, men i forskellige retninger. Formålet var at undersøge indflydelsen af udskrivningsretningen og den deraf følgende filamentplacering på varmeudbredelsen i materialet.
Prøverne blev printet med en hastighed på 60 mm/s. To varianter repræsenterer individuelle filamentlag, der er aflejret fladt direkte på printpladen – den ene med en lineær og den anden med en spiralformet filamentbane. En tredje prøve blev bygget vinkelret på printpladen og udviser lodret filamentsmeltning.
Metode og målebetingelser
Den termiske diffusivitet blev bestemt ved hjælp af Light Flash Analysis (LFA) ved brug af NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . I flash-metoden opvarmes forsiden af en planparallel prøve ved hjælp af en kort energipuls. Den deraf følgende temperaturstigning på prøvens bagside registreres berøringsfrit af en infrarød detektor. Den termiske diffusivitet for PLA-prøven beregnes ud fra den tidsafhængige signalkurve.
Standardmodellen* blev anvendt til evalueringen. De væsentligste målebetingelser er opsummeret i tabel 1.
*Standardmodellen behandler det todimensionelle (z-aksen og radialt) varmetab på samme måde som den tidligere Cape-Lehman-model [1].
Tabel 1: Målebetingelser
| Parameter | Indstilling |
|---|---|
| Prøve | Polylactid (PLA) |
| Instrument | LFA 717 HyperFlash® |
| Detektor | MCT |
| Prøveholder | 4 prøver, firkantet |
| Opvarmningshastighed | 10 K/min |
| Temperaturområde | -100 °C til 125 °C |
| Prøvedimensioner | 10 mm x 10 mm x 09 mm |
Måleresultater
En direkte sammenligning af de termiske diffusivitetskurver for de tre PLA-prøver viser en tydelig indflydelse fra udskriftsretningen. De prøver, der er udskrevet vandret på det uopvarmede udskriftsleje med lineære eller spiralformede filamentbaner, udviser sammenlignelige termiske diffusiviteter. Den lodret udskrevne prøve med lodret filamentsmeltning viser derimod højere værdier over det undersøgte temperaturområde.
Denne højere termiske diffusivitet indikerer en mere effektiv varmeudbredelse langs den lodret sammenhængende filamentstruktur. En mulig årsag er en højere grad af fusion inden for eller mellem filamenterne, fremmet af den lodrette lagdeling og varmeoverførslen til allerede ekstruderet, afkølet PLA.
I alle datasæt observeres et tydeligt spring i den termiske diffusivitet ved omkring 60 °C. Denne effekt er karakteristisk for PLA’s glasovergang. Overgangen markerer skiftet fra en glasagtig til en stadig mere gummiagtig materialetilstand og påvirker tilsvarende polymerens molekylære mobilitet og dermed dens varmetransportegenskaber.
Resumé
Måleresultaterne viser, at udskrivningsretningen har en betydelig indflydelse på den termiske diffusivitet af FDM-udskrevet PLA. Især udviser den lodret opbyggede prøve med lodret filamentsmeltning en højere Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet end de vandret udskrevne varianter.
Light Flash-analyse med LFA 717 HyperFlash® muliggør en pålidelig karakterisering af sådanne retningsafhængige termofysiske egenskaber. Dette gør det muligt at kvantificere procesrelaterede forskelle i den termiske adfærd hos additivt fremstillede materialer og anvende resultaterne til at optimere udskrivningsparametre, komponentgeometrier og fremstillingsstrategier.