Wprowadzenie
Produkcja addytywna – a w szczególności technologia modelowania metodą nakładania stopionego materiału (FDM) – stała się powszechnie stosowaną techniką szybkiej i elastycznej produkcji elementów na bazie polimerów. Oprócz właściwości mechanicznych coraz większego znaczenia nabiera zachowanie termiczne wydrukowanych elementów. Zwłaszcza w przypadku elementów funkcjonalnych, obudów poddawanych obciążeniom termicznym, prototypów dostosowanych do konkretnych zastosowań lub elementów narażonych na lokalne wytwarzanie ciepła znajomość współczynnika dyfuzyjności cieplnej ma zasadnicze znaczenie dla oceny zachowania materiału w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych.
Polilaktydy (PLA) należą do najczęściej stosowanych materiałów w druku 3D metodą FDM. Jednak ze względu na nakładanie tego materiału warstwa po warstwie w strukturze wydruku mogą występować właściwości termofizyczne zależne od kierunku. Orientacja włókien, warunki chłodzenia oraz stopienie się sąsiednich pasm wpływają na szybkość transportu ciepła przez wydrukowany element.
Zadanie pomiarowe
W niniejszym badaniu przeanalizowano współczynnik dyfuzji cieplnej próbek PLA wydrukowanych w sposób przedstawiony powyżej. Próbki zostały wyprodukowane przy tej samej prędkości drukowania, ale w różnych orientacjach. Celem badania było zbadanie wpływu orientacji druku oraz wynikającego z niej ułożenia filamentu na rozprzestrzenianie się ciepła w materiale.
Próbki wydrukowano z prędkością 60 mm/s. Dwa warianty przedstawiają pojedyncze warstwy filamentu nakładane płasko bezpośrednio na platformę drukarską – jeden z liniową, a drugi ze spiralną ścieżką filamentu. Trzecia próbka została wykonana prostopadle do platformy drukarskiej i charakteryzuje się pionowym zgrzewaniem filamentu.
Metoda i warunki pomiaru
Współczynnik dyfuzyjności cieplnej określono za pomocą analizy impulsu świetlnego (LFA) z wykorzystaniem systemu NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . W metodzie impulsowej przednia strona próbki o przekroju równoległopłaskim jest ogrzewana krótkim impulsem energii. Wynikający z tego wzrost temperatury na tylnej stronie próbki jest rejestrowany bezkontaktowo za pomocą detektora podczerwieni. Współczynnik dyfuzji cieplnej próbki PLA oblicza się na podstawie krzywej sygnału zależnej od czasu.
Do oceny zastosowano model standardowy*. Najważniejsze warunki pomiarowe podsumowano w tabeli 1.
*Model standardowy uwzględnia dwuwymiarowe (wzdłuż osi z oraz promieniowo) straty ciepła, podobnie jak wcześniejszy model Cape’a-Lehmana [1].
Tabela 1: Warunki pomiarowe
| Parametr | Ustawienie |
|---|---|
| Próbka | Polilaktyd (PLA) |
| Urządzenie | LFA 717 HyperFlash® |
| Detektor | MCT |
| Uchwyt próbki | 4 próbki, kwadratowy |
| Szybkość ogrzewania | 10 K/min |
| Zakres temperatur | od -100°C do 125°C |
| Wymiary próbki | 10 mm x 10 mm x 0,9 mm |
Wyniki pomiarów
Bezpośrednie porównanie krzywych dyfuzyjności cieplnej trzech próbek PLA wskazuje na wyraźny wpływ orientacji druku. Próbki wydrukowane w pozycji poziomej na nieogrzewanym stole drukarskim, przy liniowym lub spiralnym przebiegu filamentu, wykazują porównywalną dyfuzyjność cieplną. Natomiast próbka wydrukowana w pozycji pionowej, charakteryzująca się pionowym stapianiem się filamentu, wykazuje wyższe wartości w badanym zakresie temperatur.
Ta wyższa dyfuzyjność cieplna wskazuje na bardziej efektywne rozprzestrzenianie się ciepła wzdłuż pionowo połączonej struktury filamentu. Jedną z możliwych przyczyn jest wyższy stopień topnienia wewnątrz- lub międzyfilamentowego, sprzyjany przez pionowe ułożenie warstw oraz przenoszenie ciepła do już wytłoczonego, stygnącego PLA.
We wszystkich zestawach danych obserwuje się wyraźny skok dyfuzyjności cieplnej w temperaturze około 60°C. Zjawisko to jest charakterystyczne dla przemiany szklistej PLA. Przemiana ta oznacza Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście ze stanu szklistego do stanu materiału o coraz bardziej gumopodobnej konsystencji i odpowiednio wpływa na ruchliwość cząsteczek polimeru, a tym samym na jego właściwości transportu ciepła.
Podsumowanie
Wyniki pomiarów wskazują, że orientacja druku ma znaczący wpływ na współczynnik dyfuzji cieplnej PLA wydrukowanego metodą FDM. W szczególności próbka wykonana w orientacji pionowej, charakteryzująca się pionowym zgrzewaniem filamentu, wykazuje wyższy współczynnik dyfuzji cieplnej niż warianty wydrukowane w orientacji poziomej.
Analiza metodą Light Flash przy użyciu systemu LFA 717 HyperFlash® umożliwia wiarygodną charakterystykę takich właściwości termofizycznych zależnych od orientacji. Pozwala to na ilościowe określenie różnic związanych z procesem w zachowaniu termicznym materiałów wytwarzanych metodą addytywną oraz wykorzystanie wyników do optymalizacji parametrów drukowania, geometrii elementów i strategii produkcyjnych.