Introdução
A manufatura aditiva — especialmente a modelagem por deposição fundida (FDM) — tornou-se uma técnica amplamente utilizada para a produção rápida e flexível de componentes à base de polímeros. Além das propriedades mecânicas, o comportamento térmico das peças impressas está se tornando cada vez mais importante. Especialmente no caso de componentes funcionais, carcaças submetidas a tensões térmicas, protótipos orientados para aplicações específicas ou componentes expostos à geração local de calor, o conhecimento da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica é essencial para avaliar o comportamento do material em condições reais de operação.
Os polilactidos (PLA) estão entre os materiais mais comumente utilizados na impressão 3D por FDM. Devido à deposição camada por camada desse material, no entanto, podem ocorrer propriedades termofísicas dependentes da direção dentro da estrutura impressa. A orientação dos filamentos, as condições de resfriamento e a Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão entre fios adjacentes influenciam a rapidez com que o calor é transportado através do componente impresso.
Tarefa de medição
Neste estudo, foi analisada a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica de amostras de PLA impressas conforme ilustrado acima. As amostras foram fabricadas na mesma velocidade de impressão, porém em diferentes orientações. O objetivo foi investigar a influência da orientação da impressão e do arranjo resultante do filamento na propagação do calor no interior do material.
As amostras foram impressas a uma velocidade de 60 mm/s. Duas variantes representam camadas individuais de filamento depositadas planas diretamente sobre a base de impressão — uma com um trajeto linear do filamento e outra com um trajeto em espiral. Uma terceira amostra foi construída perpendicularmente à base de impressão e apresenta Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão vertical do filamento.
Método e condições de medição
A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica foi determinada por meio da Análise por Flash de Luz (LFA), utilizando o NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . No método de flash, a face frontal de uma amostra plano-paralela é aquecida por um breve pulso de energia. O aumento de temperatura resultante na face posterior da amostra é registrado sem contato por um detector infravermelho. A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica da amostra de PLA é calculada a partir da curva de sinal dependente do tempo.
O Modelo Padrão* foi empregado para a avaliação. As condições essenciais de medição estão resumidas na Tabela 1.
*O Modelo Padrão considera a perda de calor bidimensional (eixo z e radial) de forma semelhante ao antigo modelo de Cape-Lehman [1].
Tabela 1: Condições de medição
| Parâmetro | Configuração |
|---|---|
| Amostra | Polilactato (PLA) |
| Instrumento | LFA 717 HyperFlash® |
| Detector | MCT |
| Suporte de amostra | 4 amostras, quadrado |
| Taxa de aquecimento | 10 K/min |
| Faixa de temperatura | -100 °C a 125 °C |
| Dimensões da amostra | 10 mm x 10 mm x 09 mm |
Resultados das medições
A comparação direta das curvas de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica das três amostras de PLA mostra uma influência clara da orientação da impressão. As amostras impressas horizontalmente na base de impressão não aquecida, com trajetórias lineares ou em espiral do filamento, apresentam difusividades térmicas comparáveis. A amostra impressa verticalmente, com Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão vertical do filamento, no entanto, apresenta valores mais elevados em toda a faixa de temperatura investigada.
Essa maior Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica indica uma propagação de calor mais eficiente ao longo da estrutura do filamento conectada verticalmente. Uma possível razão é um maior grau de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão intra ou interfilamentos, promovido pela disposição em camadas verticais e pela transferência de calor para o PLA já extrudado e em processo de resfriamento.
Em todos os conjuntos de dados, observa-se um salto distinto na Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica em torno de 60 °C. Esse efeito é característico da transição vítrea do PLA. A transição marca a mudança de um estado vítreo para um estado cada vez mais semelhante ao da borracha e, consequentemente, afeta a mobilidade molecular do polímero e, portanto, suas propriedades de transporte de calor.
Resumo
Os resultados das medições mostram que a orientação da impressão exerce uma influência significativa na Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica do PLA impresso por FDM. Em particular, a amostra construída verticalmente, com Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão vertical do filamento, apresenta maior Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica do que as variantes impressas horizontalmente.
A análise por flash de luz com o LFA 717 HyperFlash® permite a caracterização confiável dessas propriedades termofísicas dependentes da orientação. Isso possibilita quantificar diferenças relacionadas ao processo no comportamento térmico de materiais fabricados por manufatura aditiva e utilizar os resultados para otimizar parâmetros de impressão, geometrias de componentes e estratégias de fabricação.