Introduzione
La produzione additiva – in particolare la modellazione a deposizione fusa (FDM) – è diventata una tecnica ampiamente utilizzata per la produzione rapida e flessibile di componenti a base polimerica. Oltre alle proprietà meccaniche, il comportamento termico dei pezzi stampati sta assumendo un’importanza sempre maggiore. Soprattutto nel caso di componenti funzionali, alloggiamenti sottoposti a sollecitazioni termiche, prototipi orientati all’applicazione o componenti esposti a generazione locale di calore, la conoscenza della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica è essenziale per valutare il comportamento del materiale in condizioni operative reali.
I polilattidi (PLA) sono tra i materiali più comunemente utilizzati nella stampa 3D FDM. A causa della deposizione strato per strato di questo materiale, tuttavia, all’interno della struttura stampata possono verificarsi proprietà termofisiche dipendenti dalla direzione. L’orientamento dei filamenti, le condizioni di raffreddamento e la Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione tra i filamenti adiacenti influenzano la velocità con cui il calore viene trasportato attraverso il componente stampato.
Attività di misurazione
Nel presente studio è stata analizzata la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica di campioni in PLA stampati come illustrato sopra. I campioni sono stati realizzati alla stessa velocità di stampa, ma con orientamenti diversi. L’obiettivo era quello di studiare l’influenza dell’orientamento di stampa e della conseguente disposizione del filamento sulla propagazione del calore all’interno del materiale.
I campioni sono stati stampati a una velocità di 60 mm/s. Due varianti rappresentano singoli strati di filamento depositati in piano direttamente sul piano di stampa: una con un percorso lineare del filamento e l’altra con un percorso a spirale. Un terzo campione è stato realizzato perpendicolarmente al piano di stampa e presenta una Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione verticale del filamento.
Metodo e condizioni di misurazione
La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica è stata determinata mediante l’analisi a flash ottico (LFA) utilizzando il sistema NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Nel metodo a flash, la faccia anteriore di un campione piano-parallelo viene riscaldata da un breve impulso di energia. L’aumento di temperatura che ne deriva sulla faccia posteriore del campione viene registrato senza contatto da un rilevatore a infrarossi. La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del campione di PLA viene calcolata dalla curva del segnale in funzione del tempo.
Per la valutazione è stato impiegato il Modello Standard*. Le condizioni di misura essenziali sono riassunte nella Tabella 1.
*Il Modello Standard considera la dispersione termica bidimensionale (asse z e radiale) in modo analogo al precedente modello di Cape-Lehman [1].
Tabella 1: Condizioni di misurazione
| Parametro | Impostazione |
|---|---|
| Campione | Polilattide (PLA) |
| Strumento | LFA 717 HyperFlash® |
| Rivelatore | MCT |
| Portacampioni | 4 campioni, quadrati |
| Velocità di riscaldamento | 10 K/min |
| Intervallo di temperatura | da -100 °C a 125 °C |
| Dimensioni dei campioni | 10 mm x 10 mm x 09 mm |
Risultati delle misurazioni
Il confronto diretto delle curve di Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica dei tre campioni di PLA evidenzia una chiara influenza dell’orientamento di stampa. I campioni stampati orizzontalmente su un piano di stampa non riscaldato, con percorsi del filamento lineari o a spirale, presentano diffusività termiche comparabili. Il campione stampato verticalmente con Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione verticale del filamento, tuttavia, mostra valori più elevati nell’intervallo di temperatura esaminato.
Questa maggiore Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica indica una propagazione del calore più efficiente lungo la struttura del filamento collegata verticalmente. Una possibile ragione è un maggiore grado di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione intra- o interfilamentare, favorito dalla stratificazione verticale e dal trasferimento di calore al PLA già estruso e in fase di raffreddamento.
In tutte le serie di dati si osserva un netto salto nella Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica intorno ai 60 °C. Questo effetto è caratteristico della transizione vetrosa del PLA. La transizione segna il passaggio da uno stato vetroso a uno stato del materiale sempre più simile alla gomma e influisce di conseguenza sulla mobilità molecolare del polimero e, quindi, sulle sue proprietà di trasporto del calore.
Sintesi
I risultati delle misurazioni dimostrano che l’orientamento di stampa esercita un’influenza significativa sulla Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del PLA stampato con la tecnica FDM. In particolare, il campione realizzato in verticale, con Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione verticale del filamento, presenta una Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica superiore rispetto alle varianti stampate in orizzontale.
L’analisi Light Flash con l’ LFA 717 HyperFlash® consente una caratterizzazione affidabile di tali proprietà termofisiche dipendenti dall’orientamento. Ciò rende possibile quantificare le differenze legate al processo nel comportamento termico dei materiali prodotti con tecniche additive e utilizzare i risultati per ottimizzare i parametri di stampa, le geometrie dei componenti e le strategie di produzione.