Introducción
La fabricación aditiva —en particular, el modelado por deposición fundida (FDM)— se ha convertido en una técnica ampliamente utilizada para la producción rápida y flexible de componentes a base de polímeros. Además de las propiedades mecánicas, el comportamiento térmico de las piezas impresas está cobrando cada vez más importancia. Especialmente en el caso de componentes funcionales, carcasas sometidas a tensiones térmicas, prototipos orientados a aplicaciones concretas o componentes expuestos a la generación local de calor, el conocimiento de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica resulta esencial para evaluar el comportamiento del material en condiciones reales de funcionamiento.
Los polilactidos (PLA) se encuentran entre los materiales más utilizados en la impresión 3D mediante FDM. Sin embargo, debido a la deposición capa por capa de este material, pueden darse propiedades termofísicas dependientes de la dirección dentro de la estructura impresa. La orientación de los filamentos, las condiciones de enfriamiento y la fusión entre hebras adyacentes influyen en la rapidez con la que se transporta el calor a través del componente impreso.
Tarea de medición
En este estudio se analizó la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de muestras de PLA impresas tal y como se ha indicado anteriormente. Las muestras se fabricaron a la misma velocidad de impresión, pero con diferentes orientaciones. El objetivo era investigar la influencia de la orientación de la impresión y la disposición resultante del filamento en la propagación del calor dentro del material.
Las muestras se imprimieron a una velocidad de 60 mm/s. Dos variantes representan capas individuales de filamento depositadas en plano directamente sobre la plataforma de impresión: una con una trayectoria lineal del filamento y otra con una trayectoria en espiral. Una tercera muestra se construyó perpendicularmente a la plataforma de impresión y presenta una fusión vertical del filamento.
Método y condiciones de medición
La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica se determinó mediante el análisis de destello de luz (LFA), utilizando el sistema NETZSCH LFA 717 HyperFlash®. En el método de destello, la cara frontal de una muestra plana y paralela se calienta mediante un breve pulso de energía. El aumento de temperatura resultante en la cara posterior de la muestra se registra sin contacto mediante un detector de infrarrojos. La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de la muestra de PLA se calcula a partir de la curva de señal en función del tiempo.
Para la evaluación se empleó el Modelo Estándar*. Las condiciones de medición esenciales se resumen en la Tabla 1.
*El Modelo Estándar considera la pérdida de calor bidimensional (eje z y radial) de forma similar al antiguo modelo de Cape-Lehman [1].
Tabla 1: Condiciones de medición
| Parámetro | Ajuste |
|---|---|
| Muestra | Polilactida (PLA) |
| Instrumento | LFA 717 HyperFlash® |
| Detector | MCT |
| Portamuestras | 4 muestras, cuadrado |
| Velocidad de calentamiento | 10 K/min |
| Rango de temperatura | De -100 °C a 125 °C |
| Dimensiones de la muestra | 10 mm x 10 mm x 0,9 mm |
Resultados de las mediciones
La comparación directa de las curvas de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de las tres muestras de PLA muestra una clara influencia de la orientación de impresión. Las muestras impresas horizontalmente sobre la plataforma de impresión no calentada, con trayectorias lineales o en espiral del filamento, presentan difusividades térmicas comparables. Sin embargo, la muestra impresa verticalmente, con fusión vertical del filamento, muestra valores más elevados en todo el rango de temperaturas analizado.
Esta mayor Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica indica una propagación del calor más eficiente a lo largo de la estructura del filamento conectada verticalmente. Una posible razón es un mayor grado de fusión intra o interfilamentaria, favorecido por la estratificación vertical y la transferencia de calor al PLA ya extruido y en proceso de enfriamiento.
En todos los conjuntos de datos se observa un salto notable en la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica en torno a los 60 °C. Este efecto es característico de la transición vítrea del PLA. La transición marca el cambio de un estado vítreo a un estado del material cada vez más similar al del caucho y, en consecuencia, afecta a la movilidad molecular del polímero y, por tanto, a sus propiedades de transporte de calor.
Resumen
Los resultados de las mediciones muestran que la orientación de impresión ejerce una influencia significativa en la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica del PLA impreso mediante FDM. En concreto, la muestra construida verticalmente, con fusión vertical del filamento, presenta una Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica mayor que las variantes impresas horizontalmente.
El análisis Light Flash con el sistema LFA 717 HyperFlash® permite caracterizar de forma fiable dichas propiedades termofísicas dependientes de la orientación. Esto permite cuantificar las diferencias relacionadas con el proceso en el comportamiento térmico de los materiales fabricados mediante fabricación aditiva y utilizar los resultados para optimizar los parámetros de impresión, las geometrías de los componentes y las estrategias de fabricación.