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Matériaux polymères thermoconducteurs pour l’impression 3D

Au cours des dernières semaines, nous avons examiné divers polymères avec des fonctionnalités d’ingénierie supplémentaires.

Jusqu’à présent, nous avons examiné ceux dont les propriétés électriques étaient altérées, tels que les matériaux électriquement conducteurs et les matériaux antistatiques. Ces matériaux avaient divers niveaux de résistivité de surface permettant à la charge de s’écouler à travers le matériau à des vitesses différentes.

Les matériaux thermoconducteurs sont analogues aux matériaux électriquement conducteurs dans le domaine thermodynamique. Ce sont des matériaux qui permettent la conduction de la chaleur à travers leur corps.

À quoi ça sert? Pour transporter la chaleur d’un endroit à un autre. Un dissipateur thermique est un excellent exemple de ce principe.

Matériaux extrudés

En commençant par les matériaux extrudés, quelques options sont disponibles. Une entreprise en particulier se démarque, car elle prétend avoir un matériau 50 fois plus conducteur thermique que les filaments standards.

TCPoly a ce qu’ils prétendent être le filament le plus thermiquement conducteur de la planète.

Le matériau s’appelle Ice9 (car il est utile pour refroidir des objets) et est un filament thermoplastique avec 8 W / mK de conductivité thermique disponible dans le commerce.

Cependant, si vous imprimez réellement quelque chose avec, cela peut augmenter jusqu’à 15 W / mK. Pourquoi ça change?

Parce que la conductivité thermique = K = (QL) / (AΔT)

Où,

  • – K est la conductivité thermique en W / mK
  • – Q est la quantité de chaleur transférée à travers le matériau en Joules / seconde ou Watts
  • – L est la distance entre les deux plans isothermes
  • – A est l’aire de la surface en mètres carrés
  • – ΔT est la différence de température en Kelvin

Comme vous pouvez le voir, il y a quelques variables liées à la géométrie de la pièce (L & A), et leur modification affecte directement la valeur de K.

Pour vous donner une illustration de la conductivité thermique de leurs matériaux, ils sont aussi thermiquement conducteurs que l’acier inoxydable mais à la moitié de la densité de l’aluminium. Cool!

D’autres recherches dans ce domaine peuvent vous conduire à une société nommée Tiamet3D, qui possède un filament nommé Ultra Diamond PLA qui est, selon leur propre site Web, un filament à base de PLA entrelacé de nanodiamants industriels.

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Leur présentation de produit affirme que l’Ultra Diamond PLA a «un transfert thermique élevé: 3x-5x plus que le PLA standard».

Le PLA a une conductivité thermique d’environ 0,13 W / (m * K). ABS normal 0,25. L’acier a entre 10 et 50 W / (m * K), selon l’alliage et d’autres facteurs.

Matériaux frittés

Comme les matériaux modifiés électriquement des derniers articles, les poudres AM ne souffrent pas du problème de sédimentation / flottaison en raison des différentes densités car les particules de poudre individuelles ont tendance à être revêtues, permettant une distribution uniforme des poudres dans la chambre à poudre.

Fait intéressant, en raison des effets géométriques et dimensionnels d’une pièce sur la conductivité thermique, les articles imprimés avec des poudres dans des systèmes de type SLS peuvent voir leur conductivité thermique modifiée simplement en modifiant la densité de tassement de la poudre avant qu’elle ne soit frittée.

Une pièce solide conduira mieux la chaleur qu’une mousse fabriquée à partir de la même substance.

Pour développer ce concept, cette équipe de recherche a démontré que la plus grande influence sur la conductivité thermique de la poudre de polyamide 12 est la liaison inter-particules. Un garnissage de densité plus élevée signifie un meilleur contact entre les particules et une meilleure liaison.

Cette autre équipe de recherche s’est appuyée sur des recherches antérieures sur le revêtement du polyamide 12 avec des CNT (nanotubes de carbone) et a confirmé que l’ajout de CNT augmente légèrement la conductivité thermique.

Photopolymères

Comme pour les autres matériaux fonctionnels que nous avons examinés dans les articles précédents, si vous recherchez une résine thermoconductrice, vous attendez peut-être encore un peu.

Les mêmes limitations d’arrêt des résines électriquement conductrices sont en jeu lorsqu’il s’agit de résines thermiquement conductrices. Autrement dit, les additifs ont tendance à se déposer, ce qui signifie que tout photopolymère utilisé avec des particules physiquement ajoutées (par opposition à des particules liées chimiquement) devra être mélangé jusqu’à et éventuellement pendant le processus d’impression SLA / DLP.

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Cela ne veut pas dire qu’il n’y a pas de résines thermoconductrices à l’horizon. Ils sont encore actuellement en phase de recherche pour le moment.

Cet article traite de l’ajout de nanocharges Halloysite nanoclay à la résine, pour augmenter la conductivité thermique des moules en plastique utilisés pour le moulage par injection. La gestion thermique des moules est essentielle pour éliminer la chaleur du plastique fondu afin de réduire le gauchissement différentiel.

Il y a d’autres équipes travaillant avec l’ajout de particules de cuivre, mais encore une fois, le même problème empêchera probablement cette recherche de se généraliser dans un avenir immédiat.

Dernières pensées

Comme vous pouvez le voir, en général, les plastiques ne sont pas parfaits pour conduire la chaleur, bien qu’il existe des valeurs aberrantes montrant que des impressions plastiques comparables à certains alliages sont possibles.

Pour la plupart, les plastiques sont bien en deçà de ce qu’un morceau de métal offrirait en termes de transfert de chaleur.

Comme pour les matériaux précédents que nous avons examinés au cours des dernières semaines, il semble que la plus large gamme de matériaux thermoconducteurs soit disponible pour les imprimantes 3D à dépôt de filament, ce qui n’est pas surprenant compte tenu de la prolifération des imprimantes à filament.

Et naturellement, en raison de la nature de l’extrusion de filaments, dont la matière première conserve sa forme et sa distribution additive jusqu’à ce qu’elle soit extrudée, il est plus facile d’imprimer ces matériaux avec une répétabilité et de maintenir une qualité constante. Cela dit, il reste un long chemin à parcourir avant que les filaments puissent égaler les métaux en termes de conductivité thermique.

Mais comme vous pouvez le constater, des recherches sont en cours sur d’autres méthodes d’impression pour les matériaux thermoconducteurs, alors attendez-vous à ce que de nouveaux matériaux arrivent sur le marché à l’avenir.

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