Введение
Аддитивное производство — в частности, метод моделирования методом наплавления расплавленного материала (FDM) — стало широко применяемой технологией для быстрого и гибкого изготовления деталей на полимерной основе. Наряду с механическими свойствами всё большее значение приобретают тепловые характеристики напечатанных деталей. В особенности для функциональных компонентов, корпусов, подверженных тепловым нагрузкам, прототипов, предназначенных для конкретных применений, или деталей, подвергающихся локальному нагреву, знание коэффициента теплопроводности имеет решающее значение для оценки поведения материала в реальных условиях эксплуатации.
Полилактиды (PLA) относятся к числу наиболее широко используемых материалов в 3D-печати по технологии FDM. Однако в связи с послойным нанесением этого материала в структуре печатного изделия могут возникать термофизические свойства, зависящие от направления. Ориентация нитей, условия охлаждения и слияние соседних нитей влияют на скорость переноса тепла через напечатанную деталь.
Задание по измерению
В данном исследовании был проанализирован коэффициент теплопроводности образцов PLA, напечатанных, как показано выше. Образцы изготавливались с одинаковой скоростью печати, но с различной ориентацией. Целью исследования было изучение влияния ориентации печати и обусловленного ею расположения нити на распространение тепла внутри материала.
Образцы были напечатаны со скоростью 60 мм/с. Два варианта представляют собой отдельные слои нити, нанесенные плоско непосредственно на печатную платформу: один с линейной траекторией нити, а другой — со спиральной. Третий образец был изготовлен перпендикулярно печатной платформе и демонстрирует вертикальное сплавление нити.
Метод и условия проведения измерений
Теплопроводность определялась с помощью метода световой вспышки (LFA) с использованием системы NETZSCH LFA 717 HyperFlash®. При применении метода вспышки лицевая сторона плоскопараллельного образца нагревается коротким энергетическим импульсом. Возникающий в результате рост температуры на обратной стороне образца регистрируется бесконтактным способом с помощью инфракрасного детектора. Теплопроводность образца PLA рассчитывается по кривой сигнала, зависящей от времени.
Для оценки использовалась стандартная модель*. Основные условия измерения приведены в таблице 1.
*Стандартная модель учитывает двумерные (по оси z и в радиальном направлении) теплопотери аналогично ранее предложенной модели Кейпа-Лемана [1].
Таблица 1: Условия измерения
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Образец | Полилактид (PLA) |
| Прибор | LFA 717 HyperFlash® |
| Детектор | MCT |
| Держатель образца | 4 образца, квадратные |
| Скорость нагрева | 10 К/мин |
| Диапазон температур | от -100 °C до 125 °C |
| Размеры образца | 10 мм × 10 мм × 09 мм |
Результаты измерений
Прямое сравнение кривых тепловой диффузии трёх образцов PLA демонстрирует явное влияние ориентации печати. Образцы, напечатанные в горизонтальном направлении на неотапливаемом рабочем столе с линейной или спиральной траекторией нити, демонстрируют сопоставимые значения тепловой диффузии. В то же время образец, напечатанный в вертикальном направлении с вертикальным сплавлением нити, демонстрирует более высокие значения во всём исследуемом диапазоне температур.
Такая более высокая теплопроводность свидетельствует о более эффективном распространении тепла вдоль вертикально соединенной структуры нити. Одной из возможных причин является более высокая степень внутри- или межнитевого сплавления, чему способствуют вертикальное наслоение и передача тепла к уже экструдированному и охлаждающемуся PLA.
Во всех наборах данных наблюдается отчетливый скачок теплопроводности при температуре около 60 °C. Этот эффект характерен для стеклования PLA. Данный переход знаменует собой переход от стеклообразного к все более резиноподобному состоянию материала и, соответственно, влияет на молекулярную подвижность полимера и, следовательно, на его теплопередающие свойства.
Резюме
Результаты измерений показывают, что ориентация печати оказывает значительное влияние на теплопроводность PLA, напечатанного методом FDM. В частности, образец, напечатанный в вертикальном направлении с вертикальным сплавлением нити, демонстрирует более высокую теплопроводность по сравнению с вариантами, напечатанными в горизонтальном направлении.
Анализ с помощью системы LFA 717 HyperFlash® позволяет достоверно определить такие зависящие от ориентации теплофизические свойства. Это дает возможность количественно оценить связанные с технологическим процессом различия в тепловых характеристиках материалов, изготовленных методом аддитивного производства, и использовать полученные результаты для оптимизации параметров печати, геометрии деталей и стратегий производства.