Inleiding
Additieve fabricage – met name fused deposition modeling (FDM) – is uitgegroeid tot een veelgebruikte techniek voor de snelle en flexibele productie van onderdelen op basis van polymeren. Naast de mechanische eigenschappen wordt het thermisch gedrag van geprinte onderdelen steeds belangrijker. Met name voor functionele componenten, thermisch belaste behuizingen, toepassingsgerichte prototypes of onderdelen die worden blootgesteld aan lokale warmteontwikkeling, is kennis van de thermische diffusiviteit essentieel voor het beoordelen van het materiaalgedrag onder reële bedrijfsomstandigheden.
Polylactiden (PLA) behoren tot de meest gebruikte materialen bij FDM-3D-printen. Door de laag-voor-laag-afzetting van dit materiaal kunnen er echter richtingsafhankelijke thermofysische eigenschappen binnen de printstructuur optreden. De oriëntatie van de filamenten, de afkoelomstandigheden en de versmelting tussen aangrenzende strengen beïnvloeden hoe snel warmte door het geprinte onderdeel wordt getransporteerd.
Meetopdracht
In dit onderzoek werd de thermische diffusiviteit geanalyseerd van PLA-monsters die zoals hierboven weergegeven waren geprint. De monsters werden vervaardigd met dezelfde printsnelheid, maar in verschillende oriëntaties. Het doel was om de invloed van de printoriëntatie en de daaruit voortvloeiende filamentrangschikking op de warmteverspreiding binnen het materiaal te onderzoeken.
De monsters werden geprint met een snelheid van 60 mm/s. Twee varianten bestaan uit afzonderlijke filamentlagen die vlak direct op het printbed zijn aangebracht – één met een lineair en één met een spiraalvormig filamenttraject. Een derde monster werd loodrecht op het printbed opgebouwd en vertoont verticale filamentsmelting.
Methode en meetomstandigheden
De thermische diffusiviteit werd bepaald door middel van Light Flash Analysis (LFA) met behulp van de NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Bij de flash-methode wordt de voorzijde van een vlak-parallel monster verwarmd door een korte energiepuls. De daaruit voortvloeiende temperatuurstijging aan de achterzijde van het monster wordt contactloos geregistreerd door een infrarooddetector. De thermische diffusiviteit van het PLA-monster wordt berekend aan de hand van de tijdsafhankelijke signaalcurve.
Voor de evaluatie werd gebruikgemaakt van het Standaardmodel*. De essentiële meetomstandigheden zijn samengevat in tabel 1.
*Het Standaardmodel beschouwt het tweedimensionale (z-as en radiaal) warmteverlies op dezelfde wijze als het eerdere Cape-Lehman-model [1].
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Parameter | Instelling |
|---|---|
| Monster | Polylactide (PLA) |
| Instrument | LFA 717 HyperFlash® |
| Detector | MCT |
| Monsterhouder | 4 monsters, vierkant |
| Verwarmingssnelheid | 10 K/min |
| Temperatuurbereik | -100 °C tot 125 °C |
| Afmetingen van de monsters | 10 mm x 10 mm x 0,9 mm |
Meetresultaten
Uit de directe vergelijking van de thermische diffusiviteitscurves van de drie PLA-monsters blijkt een duidelijke invloed van de afdrukoriëntatie. De monsters die horizontaal op het onverwarmde afdrukbed zijn afgedrukt met lineaire of spiraalvormige filamenttrajecten, vertonen vergelijkbare thermische diffusiviteiten. Het verticaal afgedrukte monster met verticale filamentsmelting vertoont daarentegen hogere waarden over het onderzochte temperatuurbereik.
Deze hogere thermische diffusiviteit duidt op een efficiëntere warmteverspreiding langs de verticaal verbonden filamentstructuur. Een mogelijke reden hiervoor is een hogere mate van intra- of interfilamentfusie, bevorderd door de verticale gelaagdheid en de warmteoverdracht naar reeds geëxtrudeerd, afkoelend PLA.
In alle datasets wordt bij ongeveer 60 °C een duidelijke sprong in de thermische diffusiviteit waargenomen. Dit effect is kenmerkend voor de glasovergang van PLA. De overgang markeert de verandering van een glasachtige naar een steeds meer rubberachtige materiaaltoestand en beïnvloedt dienovereenkomstig de moleculaire mobiliteit van het polymeer en daarmee de warmtetransporteigenschappen ervan.
Samenvatting
Uit de meetresultaten blijkt dat de printrichting een aanzienlijke invloed heeft op de thermische diffusiviteit van met FDM-technologie geprint PLA. Met name het verticaal opgebouwde monster, waarbij de filamenten verticaal zijn versmolten, vertoont een hogere thermische diffusiviteit dan de horizontaal geprinte varianten.
LFA 717 HyperFlash® -analyse maakt een betrouwbare karakterisering mogelijk van dergelijke oriëntatieafhankelijke thermofysische eigenschappen. Hierdoor kunnen procesgerelateerde verschillen in het thermisch gedrag van additief vervaardigde materialen worden gekwantificeerd en kunnen de resultaten worden gebruikt om printparameters, componentgeometrieën en productiestrategieën te optimaliseren.