Matériaux polymères thermoconducteurs pour l’impression 3D

29 juillet 2020

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 sont altérées, tels que les matériaux électriquement conducteurs et les matériaux antistatiques. Ces matériaux avaient différents niveaux de résistivité de surface permettant à la charge de s’écouler à travers le matériau à des vitesses différentes.

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

Quel est l’intérêt de ça ? 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 conducteur thermique 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 standard.

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

Parce que 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 conducteurs thermiquement que l’acier inoxydable mais à la moitié de la densité de l’aluminium. Cool!

Des recherches supplémentaires dans ce domaine peuvent vous conduire à une entreprise nommée Tiamet3D, qui possède un filament nommé Ultra Diamond PLA qui est, selon leur propre site Web, un filament à base de PLA mêlé de nanodiamants industriels.

La présentation de leur 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 décantation/flottation en raison de densités différentes car les particules de poudre individuelles ont tendance à être enrobées, 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 éléments 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 son frittage.

Une pièce solide conduira mieux la chaleur qu’une mousse constituée 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 interparticulaire. Une 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 NTC (nanotubes de carbone) et a confirmé que l’ajout de NTC 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 thermiquement conductrice, vous devrez peut-être encore attendre un peu.

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

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 de nanoargile d’halloysite 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 évacuer la chaleur du plastique fondu afin de réduire le gauchissement différentiel.

D’autres équipes travaillent sur l’ajout de particules de cuivre, mais encore une fois, le même problème empêchera probablement cette recherche de devenir courante dans un avenir immédiat.

Dernières pensées

Comme vous pouvez le voir, de manière générale, 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 conducteurs thermiques soit disponible pour ceux qui possèdent des 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 d’additifs jusqu’à ce qu’elle soit extrudée, il est plus facile d’imprimer ces matériaux avec répétabilité et de maintenir une qualité constante. Cela dit, il y a un long chemin à parcourir avant que les filaments puissent correspondre aux métaux en termes de conductivité thermique.

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