Introducere
Fabricarea aditivă – în special modelarea prin depunere topită (FDM) – a devenit o tehnică larg utilizată pentru producția rapidă și flexibilă a componentelor pe bază de polimeri. Pe lângă proprietățile mecanice, comportamentul termic al pieselor imprimate capătă o importanță din ce în ce mai mare. În special în cazul componentelor funcționale, al carcaselor supuse la solicitări termice, al prototipurilor orientate către aplicații specifice sau al componentelor expuse la generarea locală de căldură, cunoașterea difuzivității termice este esențială pentru evaluarea comportamentului materialului în condiții reale de funcționare.
Polilactidele (PLA) se numără printre cele mai utilizate materiale în imprimarea 3D prin FDM. Cu toate acestea, datorită depunerii strat cu strat a acestui material, pot apărea proprietăți termofizice dependente de direcție în structura imprimată. Orientarea filamentelor, condițiile de răcire și fuziunea dintre firele adiacente influențează viteza cu care căldura este transportată prin componenta imprimată.
Sarcina de măsurare
În cadrul acestui studiu, a fost analizată difuzivitatea termică a probelor din PLA imprimate conform descrierii de mai sus. Probele au fost realizate la aceeași viteză de imprimare, dar în orientări diferite. Scopul a fost acela de a investiga influența orientării de imprimare și a dispunerii filamentului rezultate asupra propagării căldurii în interiorul materialului.
Probele au fost imprimate la o viteză de 60 mm/s. Două variante reprezintă straturi individuale de filament depuse plat direct pe patul de imprimare – una cu o traiectorie liniară a filamentului și una cu o traiectorie spirală. O a treia probă a fost construită perpendicular pe patul de imprimare și prezintă fuziunea verticală a filamentelor.
Metoda și condițiile de măsurare
Difuzivitatea termică a fost determinată prin metoda analizei cu impuls luminos (LFA), utilizând sistemul „ NETZSCH ” LFA 717 HyperFlash®. În cadrul metodei cu impuls luminos, fața frontală a unei probe plan-paralele este încălzită printr-un impuls scurt de energie. Creșterea de temperatură rezultată pe partea posterioară a probei este înregistrată fără contact de către un detector cu infraroșu. Difuzivitatea termică a probei de PLA se calculează pe baza curbei semnalului în funcție de timp.
Pentru evaluare a fost utilizat Modelul Standard*. Condițiile esențiale de măsurare sunt rezumate în Tabelul 1.
*Modelul standard tratează pierderea de căldură bidimensională (pe axa z și radială) în mod similar cu fostul model Cape-Lehman [1].
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Parametru | Setare |
|---|---|
| Probă | Polilactidă (PLA) |
| Instrument | LFA 717 HyperFlash® |
| Detector | MCT |
| Suport pentru probă | 4 probe, pătrat |
| Viteză de încălzire | 10 K/min |
| Interval de temperatură | de la -100 °C la 125 °C |
| Dimensiunile probei | 10 mm x 10 mm x 09 mm |
Rezultatele măsurătorilor
Compararea directă a curbelor de difuzivitate termică ale celor trei probe de PLA evidențiază o influență clară a orientării de imprimare. Probele imprimate orizontal pe patul de imprimare neîncălzit, cu traiectorii liniare sau spirale ale filamentului, prezintă difuzivități termice comparabile. Proba imprimată vertical, cu fuziune verticală a filamentului, prezintă însă valori mai ridicate pe intervalul de temperatură analizat.
Această difuzivitate termică mai mare indică o propagare mai eficientă a căldurii de-a lungul structurii filamentului conectate vertical. Un posibil motiv este un grad mai ridicat de fuziune intra- sau interfilamentară, favorizat de stratificarea verticală și de transferul de căldură către PLA-ul deja extrudat și în curs de răcire.
În toate seturile de date, se observă o creștere bruscă distinctă a difuzivității termice în jurul valorii de 60 °C. Acest efect este caracteristic tranziției vitroase a PLA. Tranziția marchează trecerea de la o stare vitroasă a materialului la una din ce în ce mai asemănătoare cauciucului și afectează, în mod corespunzător, mobilitatea moleculară a polimerului și, prin urmare, proprietățile sale de transport al căldurii.
Rezumat
Rezultatele măsurătorilor arată că orientarea de imprimare are o influență semnificativă asupra difuzivității termice a PLA-ului imprimat prin tehnologia FDM. În special, proba construită vertical, cu fuziune verticală a filamentului, prezintă o difuzivitate termică mai mare decât variantele imprimate orizontal.
Analiza cu impulsuri de lumină (Light Flash Analysis) realizată cu sistemul de analiză a materialelor cu impulsuri de lumină LFA 717 HyperFlash® permite caracterizarea fiabilă a acestor proprietăți termofizice dependente de orientare. Acest lucru face posibilă cuantificarea diferențelor legate de proces în comportamentul termic al materialelor fabricate prin tehnologii aditive și utilizarea rezultatelor pentru optimizarea parametrilor de imprimare, a geometriilor componentelor și a strategiilor de fabricație.