Εισαγωγή
Η προσθετική κατασκευή – και συγκεκριμένα η μέθοδος μοντελοποίησης με τήξη και απόθεση (FDM) – έχει καταστεί μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική για την ταχεία και ευέλικτη παραγωγή εξαρτημάτων με βάση τα πολυμερή. Εκτός από τις μηχανικές ιδιότητες, η θερμική συμπεριφορά των εκτυπωμένων εξαρτημάτων αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία. Ειδικά για λειτουργικά εξαρτήματα, περιβλήματα που υπόκεινται σε θερμικές καταπονήσεις, πρωτότυπα προσανατολισμένα σε συγκεκριμένες εφαρμογές ή εξαρτήματα που εκτίθενται σε τοπική παραγωγή θερμότητας, η γνώση της θερμικής διαχυτότητας είναι απαραίτητη για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς του υλικού υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.
Τα πολυγαλακτίδια (PLA) συγκαταλέγονται στα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά στην τρισδιάστατη εκτύπωση FDM. Ωστόσο, λόγω της στρωματοποιημένης απόθεσης αυτού του υλικού, ενδέχεται να εμφανιστούν θερμοφυσικές ιδιότητες που εξαρτώνται από την κατεύθυνση εντός της δομής της εκτύπωσης. Ο προσανατολισμός των νημάτων, οι συνθήκες ψύξης και η σύντηξη μεταξύ γειτονικών νημάτων επηρεάζουν την ταχύτητα με την οποία μεταφέρεται η θερμότητα μέσω του εκτυπωμένου εξαρτήματος.
Εργασία μέτρησης
Στη μελέτη αυτή αναλύθηκε η θερμική διαχυτότητα δειγμάτων PLA που εκτυπώθηκαν όπως φαίνεται παραπάνω. Τα δείγματα κατασκευάστηκαν με την ίδια ταχύτητα εκτύπωσης, αλλά με διαφορετικούς προσανατολισμούς. Στόχος ήταν να διερευνηθεί η επίδραση του προσανατολισμού εκτύπωσης και της προκύπτουσας διάταξης του νήματος στη διάδοση της θερμότητας εντός του υλικού.
Τα δείγματα εκτυπώθηκαν με ταχύτητα 60 mm/s. Δύο παραλλαγές αντιπροσωπεύουν μεμονωμένα στρώματα νημάτων που εναποτίθενται επίπεδα απευθείας πάνω στην επιφάνεια εκτύπωσης – η μία με γραμμική και η άλλη με σπειροειδή διαδρομή νημάτων. Ένα τρίτο δείγμα κατασκευάστηκε κάθετα προς την επιφάνεια εκτύπωσης και παρουσιάζει κάθετη σύντηξη νημάτων.
Μέθοδος και συνθήκες μέτρησης
Η θερμική διαχυτότητα προσδιορίστηκε μέσω της ανάλυσης φλας φωτός (Light Flash Analysis, LFA) με τη χρήση του NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Στη μέθοδο φλας, η μπροστινή πλευρά ενός επίπεδου-παράλληλου δείγματος θερμαίνεται από έναν σύντομο ενεργειακό παλμό. Η προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας στην πίσω πλευρά του δείγματος καταγράφεται χωρίς επαφή από έναν ανιχνευτή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η θερμική διαχυτότητα του δείγματος PLA υπολογίζεται από την καμπύλη του σήματος που εξαρτάται από το χρόνο.
Για την αξιολόγηση χρησιμοποιήθηκε το Πρότυπο Μοντέλο*. Οι βασικές συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον Πίνακα 1.
*Το Πρότυπο Μοντέλο θεωρεί τη δισδιάστατη (άξονας z και ακτινική) απώλεια θερμότητας παρόμοια με το παλαιότερο μοντέλο Cape-Lehman [1].
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Παράμετρος | Ρύθμιση |
|---|---|
| Δείγμα | Πολυγαλακτίδιο (PLA) |
| Όργανο | LFA 717 HyperFlash® |
| Ανιχνευτής | MCT |
| Βάση δείγματος | 4 δείγματα, τετράγωνο |
| Ρυθμός θέρμανσης | 10 K/λεπτό |
| Εύρος θερμοκρασίας | -100 °C έως 125 °C |
| Διαστάσεις δείγματος | 10 mm x 10 mm x 09 mm |
Αποτελέσματα μετρήσεων
Η άμεση σύγκριση των καμπυλών θερμικής διαχυτότητας των τριών δειγμάτων PLA δείχνει μια σαφή επίδραση του προσανατολισμού εκτύπωσης. Τα δείγματα που εκτυπώθηκαν οριζόντια πάνω στην μη θερμαινόμενη επιφάνεια εκτύπωσης με γραμμικές ή σπειροειδείς διαδρομές νήματος παρουσιάζουν συγκρίσιμες τιμές θερμικής διαχυτότητας. Το δείγμα που εκτυπώθηκε κάθετα με κάθετη τήξη νήματος, ωστόσο, παρουσιάζει υψηλότερες τιμές σε όλο το εύρος θερμοκρασιών που μελετήθηκε.
Αυτή η υψηλότερη θερμική διαχυτότητα υποδηλώνει αποτελεσματικότερη διάδοση της θερμότητας κατά μήκος της κάθετα συνδεδεμένης δομής του νήματος. Ένας πιθανός λόγος είναι ο υψηλότερος βαθμός τήξης εντός ή μεταξύ των νημάτων, ο οποίος ευνοείται από την κάθετη στρωματοποίηση και τη μεταφορά θερμότητας προς το ήδη εξωθημένο και ψυχόμενο PLA.
Σε όλα τα σύνολα δεδομένων, παρατηρείται μια σαφής απότομη αύξηση της θερμικής διαχυτότητας γύρω στους 60 °C. Το φαινόμενο αυτό είναι χαρακτηριστικό της υαλώδους μετάβασης του PLA. Η μετάβαση αυτή σηματοδοτεί τη μετάβαση από μια υαλώδη σε μια κατάσταση υλικού που μοιάζει όλο και περισσότερο με καουτσούκ και επηρεάζει αντίστοιχα τη μοριακή κινητικότητα του πολυμερούς και, κατά συνέπεια, τις ιδιότητες μεταφοράς θερμότητάς του.
Περίληψη
Τα αποτελέσματα των μετρήσεων δείχνουν ότι ο προσανατολισμός εκτύπωσης ασκεί σημαντική επίδραση στη θερμική διαχυτότητα του PLA που έχει εκτυπωθεί με τη μέθοδο FDM. Συγκεκριμένα, το δείγμα που κατασκευάστηκε κάθετα με κάθετη τήξη νημάτων παρουσιάζει υψηλότερη θερμική διαχυτότητα σε σύγκριση με τις οριζόντια εκτυπωμένες παραλλαγές.
Η ανάλυση με φλας φωτός (Light Flash Analysis) με το σύστημα ανάλυσης θερμικής διαχυτότητας LFA 717 HyperFlash® επιτρέπει τον αξιόπιστο χαρακτηρισμό τέτοιων θερμοφυσικών ιδιοτήτων που εξαρτώνται από τον προσανατολισμό. Αυτό καθιστά δυνατή την ποσοτικοποίηση των διαφορών που σχετίζονται με τη διαδικασία στην θερμική συμπεριφορά των υλικών που κατασκευάζονται με προσθετική τεχνολογία και τη χρήση των αποτελεσμάτων για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων εκτύπωσης, των γεωμετριών των εξαρτημάτων και των στρατηγικών κατασκευής.