Inledning
Additiv tillverkning – särskilt FDM (Fused Deposition Modeling) – har blivit en allmänt använd teknik för snabb och flexibel tillverkning av polymerbaserade komponenter. Förutom de mekaniska egenskaperna blir det termiska beteendet hos utskrivna delar allt viktigare. Särskilt för funktionella komponenter, termiskt belastade höljen, applikationsorienterade prototyper eller komponenter som utsätts för lokal värmeutveckling är kunskap om värmediffusionskoefficienten avgörande för att kunna utvärdera materialets beteende under verkliga driftsförhållanden.
Polylaktider (PLA) hör till de vanligaste materialen inom FDM-3D-utskrift. På grund av att detta material läggs på lager för lager kan dock riktningsberoende termofysiska egenskaper uppstå inom utskriftsstrukturen. Filamentens orientering, kylningsförhållandena och sammansmältningen mellan intilliggande trådar påverkar hur snabbt värmen transporteras genom den utskrivna komponenten.
Mätuppgift
I denna studie analyserades värmediffusionskoefficienten hos PLA-prover som skrivits ut enligt ovan. Proverna tillverkades med samma utskriftshastighet men i olika orienteringar. Syftet var att undersöka hur utskriftsorienteringen och den därmed sammanhängande filamentplaceringen påverkar värmespridningen inom materialet.
Proverna skrivdes ut med en hastighet på 60 mm/s. Två varianter representerar enskilda filamentskikt som deponerats plant direkt på utskriftsbädden – en med en linjär och en med en spiralformad filamentbana. Ett tredje prov byggdes vinkelrätt mot utskriftsbädden och uppvisar vertikal filamentsmältning.
Metod och mätförhållanden
Värmediffusionskoefficienten bestämdes med hjälp av Light Flash Analysis (LFA) med användning av NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Vid flash-metoden värms framsidan av ett planparallellt prov upp av en kort energipuls. Den resulterande temperaturökningen på provets baksida registreras kontaktfritt av en infraröd detektor. Värmediffusionskoefficienten för PLA-provet beräknas utifrån den tidsberoende signalkurvan.
Standardmodellen* användes för utvärderingen. De väsentliga mätförhållandena sammanfattas i tabell 1.
*Standardmodellen beaktar den tvådimensionella (z-axeln och radiellt) värmeförlusten på samma sätt som den tidigare Cape-Lehman-modellen [1].
Tabell 1: Mätförhållanden
| Parameter | Inställning |
|---|---|
| Prov | Polylaktid (PLA) |
| Instrument | LFA 717 HyperFlash® |
| Detektor | MCT |
| Provhållare | 4 prover, fyrkantiga |
| Uppvärmningshastighet | 10 K/min |
| Temperaturområde | -100 °C till 125 °C |
| Provdimensioner | 10 mm × 10 mm × 0,9 mm |
Mätresultat
En direkt jämförelse av värmediffusionskurvorna för de tre PLA-proverna visar att utskriftsriktningen har en tydlig inverkan. Proverna som skrivits ut horisontellt på det ouppvärmda utskriftsbordet med linjära eller spiralformade filamentbanor uppvisar jämförbara värmediffusionskoefficienter. Det vertikalt utskrivna provet med vertikal filamentsmältning uppvisar däremot högre värden över det undersökta temperaturintervallet.
Denna högre värmediffusionsförmåga indikerar en effektivare värmespridning längs den vertikalt sammanlänkade filamentstrukturen. En möjlig orsak är en högre grad av Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning inom eller mellan filamenten, vilket främjas av den vertikala skiktningen och värmeöverföringen till redan extruderat, avkylande PLA.
I alla datamängder observeras ett tydligt hopp i värmediffusionsförmågan vid omkring 60 °C. Denna effekt är karakteristisk för PLA:s glasövergång. Övergången markerar övergången från ett glasartat till ett alltmer gummiliknande materialtillstånd och påverkar i motsvarande grad polymerens molekylära rörlighet och därmed dess värmetransportegenskaper.
Sammanfattning
Mätresultaten visar att utskriftsriktningen har en betydande inverkan på värmediffusionsförmågan hos FDM-utskrivet PLA. Framför allt uppvisar det vertikalt uppbyggda provet, där filamentet smälter samman vertikalt, högre värmediffusionsförmåga än de horisontellt utskrivna varianterna.
LFA 717 HyperFlash®:s ljusblixtanalys möjliggör en tillförlitlig karakterisering av sådana orienteringsberoende termofysiska egenskaper. Detta gör det möjligt att kvantifiera processrelaterade skillnader i det termiska beteendet hos additivt tillverkade material och använda resultaten för att optimera utskriftsparametrar, komponentgeometrier och tillverkningsstrategier.