التحقيق في التعرض للأشعة فوق البنفسجية والمعالجة الحرارية في البلمرة الضوئية في الحوض

تكوين البلمرة الضوئية في الحوض الضوئي

أحد التكوينات المثيرة للاهتمام والمحسّنة للطباعة السريعة هو استخدام إسقاط القناع للطبقة بأكملها وحركة منصة البناء من أعلى إلى أسفل. وهذا يعني أن ليزر الأشعة فوق البنفسجية لا يتتبع شكل كل طبقة على أساس البكسل، بل يتم تشكيل شعاع الليزر على شكل هندسة الطبقة بأكملها ويعرضها كلها مرة واحدة. وفي الوقت نفسه، يعني النهج المتبع من أعلى إلى أسفل أن منصة البناء مغمورة في الراتنج ويحدث إسقاط ضوء الأشعة فوق البنفسجية من الأسفل من خلال نافذة. بعد كل طبقة، يتم تحريك المنصة لأعلى بارتفاع طبقة واحدة وتتكرر العملية. يمكن أن يؤدي التصاق طبقة بين فجوة النافذة ومنصة البناء أو الطبقات السابقة للجزء إلى التصاق الجزء بالنافذة والتأثير على الحركة لأعلى. يتم شرح مبدأ العملية هنا.

لذلك، في أحد الأشكال التي يُشار إليها غالبًا باسم التوليف الضوئي الرقمي (DLS)، تكون النافذة بالفعل غشاءً نافذًا للأكسجين. وهذا يسمح بانتشار الأكسجين عبر النافذة وفي فجوة الراتنج. ومثل جميع عمليات الانتشار، يعتمد التغير في التركيز على الوقت وينتج عنه تشبع الأكسجين عند واجهة الراتنج والنافذة مباشرةً وتركيزات أقل في الراتنج. يُستخدم هذا التأثير مع الراتنجات الحساسة للأكسجين، والتي يمنع الأكسجين تفاعلها. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك الأكريلات.

وبسبب هذا التأثير، يبقى الراتنج سائلاً في الواجهة مع النافذة ويمكن تحريره بسهولة أثناء الحركة الصاعدة للمنصة. ومع ذلك، يتم معالجة بقية الراتينج في الفجوة التي تتعرض للأشعة فوق البنفسجية. ولفهم سلوك المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية لراتنج معين، يمكن استخدام القياس الضوئي التفاضلي (الذي يقدمه جهاز قياس ضوئي ضوئي (Photo-DSC) مزود بمصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

كيف يعمل نظام DSC للصور الفوتوغرافية

في ورقتهم البحثية "التحقيق في تأثير وقت التعرض على تفاعل المعالجة المزدوج للبولي يوريثين 70 أثناء عمليةالبلمرة الضوئيةوخصائص الأجزاء الميكانيكية الناتجة"، شرع فيليب أوبستيت وآخرون [1] في إظهار أن درجة الارتباط المتقاطع الحراري للراتنج ثنائي المكونات يتم تحديدها من خلال تفاعل الارتباط المتقاطع السابق أثناء البلمرة الضوئية [1].

تستخدم الدراسة التي أجريت بالتعاون مع شركة NETZSCH للتحليل والاختبار جهاز Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® مع امتداد ضوء الأشعة فوق البنفسجية OmniCure^®S2000 SC ويحلل راتنج البولي يوريثان الصلب.

الراتنج هو نظام معالجة مزدوج يتم معالجته في البداية بالأشعة فوق البنفسجية أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وفي وقت لاحق، يتم معالجته في درجات حرارة مرتفعة في فرن لزيادة تحسين الخواص الميكانيكية والاستقرار الحراري للمكون. يمكن التحقق من كلتا الخطوتين باستخدام جهاز NETZSCH Photo-DSC، حيث يمكن برمجة مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية بحرية مع منحدرات درجة الحرارة والقطاعات المتساوية الحرارة. ينبعث ضوء الأشعة فوق البنفسجية من مصباح قوس قصير زئبقي بقوة 200 واط موجود في DSC ويرسل عبر الألياف الضوئية والعدسات إلى غرفة القياسات على كل من العينة والوعاء الفارغ. تُستخدم آلية قزحية دوارة للسماح بإعدادات دقيقة لأوقات التعريض وكذلك شدة الضوء مباشرةً في برنامج NETZSCH Proteus^®. يوفر نظام Omnicure كذلك طيف إخراج واسع، والذي يمكن تكييفه مع مرشحات تحديد النطاق إذا كانت هناك حاجة إلى أطوال موجية محددة للتطبيق.

كيفية قياس المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية والحرارية باستخدام جهاز NETZSCH Photo-DSC

بينما يمكن الاطلاع على الدراسة بأكملها هنا، سيتم عرض مثال واحد للقياس بما في ذلك التحليل هنا.

بالنسبة للتجارب التي تم إجراؤها، تم استخدام الطيف الكامل لأداة OmniCure^®. نظرًا للمسافة الثابتة البالغة 20 مم بين خرج الضوء والعينة، يحدث فقدان في الشدة. لذلك، يتم استخدام عامل تحويل لضبط الخسارة. لتحقيق شدة الضوء البالغة حوالي 9 ^ميجا وات/سم2 التي تحدث في الطابعة ثلاثية الأبعاد، تم استخدام إعداد 0.5 ^وات/سم2 في البرنامج.

بالنسبة لكل قياس، يتم إجراء التعرض للأشعة فوق البنفسجية عند 30 درجة مئوية خلال مقطع متساوي الحرارة لمدة 5 دقائق. بعد ذلك، يتم تسخين العينة إلى 120 درجة مئوية باستخدام معدل تسخين 3 كلفن/دقيقة وتبقى ثابتة لمدة 10 دقائق لضمان اكتمال المعالجة، قبل أن يتم تبريدها مرة أخرى إلى 30 درجة مئوية.

يتم تلخيص جميع شروط القياس في الجدول التالي:

الجدول 1: شروط القياس

المقلاة	كونكافوس أل مع غطاء
كتلة العينة	5 مجم
الغلاف الجوي	_N2
نطاق درجة الحرارة	30 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية بمعدل تسخين 3 كلفن/دقيقة
شدة الأشعة فوق البنفسجية	0.5 ^وات/سم2
زمن التعريض	6.8 s

في الشكل 1، تظهر نتيجة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية والمعالجة الحرارية اللاحقة. في بداية الجزء المتساوي الحرارة، يتم تعريض العينة لمدة 6.8 ث، ويتم قياس الحرارة الخارجية الناتجة لتكون 78.4 جول/ز. أثناء خطوة التسخين التالية، تحدث المعالجة الحرارية للعينة وتنتهي بالفعل عند الوصول إلى درجة الحرارة النهائية 120 درجة مئوية.

الشكل 1: الشكل 1: قياس DSC الضوئي لراتنج البولي يوريثان ثنائي المعالجة الذي يبدأ بالمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية وتليها خطوة المعالجة الحرارية

يمكن ملاحظة ذلك بشكل أفضل في الشكل 2، حيث يتم تسليط الضوء على الانحراف عن خط الأساس. ويمكن ملاحظة أن الإنثالبي الحراري الخارجي الناتج عن المعالجة الحرارية يبلغ 20.89 جول/غم.

الشكل 2: منظر تفصيلي لخطوة المعالجة الحرارية لراتنج البولي يوريثان ثنائي المعالجة أثناء التسخين عند 3 كلفن/دقيقة

أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية، يجب تصحيح الطاقة المقيسة الناتجة عن الضوء النقي. لهذا السبب، يتم تكرار خطوة التعرض للأشعة فوق البنفسجية على عينة الراتنج المعالجة بالكامل ويتم قياس الزيادة في الإنثالبي. وتظهر النتيجة في الشكل 3. يوضح المنحنى الأزرق القياس المبدئي (انظر الشكل 1) ويوضح المنحنى الأسود إنثالبي التعرض للأشعة فوق البنفسجية للراتنج المعالج بالكامل. باستخدام دالة الطرح في برنامج Proteus^®، يتم حساب الإنثالبي المصحح وتصويره على شكل منحنى أخضر. يبلغ الإنثالبي الحراري الخارجي بعد التصحيح 70.29 جول/غم.

الشكل 3: نتائج التعريض بالأشعة فوق البنفسجية للراتنج غير المعالج بالأشعة فوق البنفسجية (الأزرق)، والراتنج المعالج بالكامل (الأسود) ومنحنى التصوير الضوئي-التحلل الطيفي المجزأ المصحح بعد الطرح (الأخضر)

التوازن الصحيح مهم

يوضح هذا المثال أنه مع زمن تعريض قدره 6.8 ثانية، يحدث معظم المعالجة أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية مقارنةً بالمعالجة الحرارية (21 جول/ز). يمكن ملاحظة أن الجمع بين وظيفة التحاليل الضوئية للتجسيم الكهروضوئي ووظيفة التحاليل الضوئية التقليدية قادر على تحليل مثل هذه الأنظمة المعقدة للمواد. تُظهر الدراسة الكاملة أن أوقات التعرض المنخفضة تحول هذه النسبة في الاتجاه المعاكس: في مدة التعرض المنخفضة، تتشكل غالبية الروابط المتقاطعة أثناء خطوة المعالجة الحرارية.

قام المؤلفون بدمج هذه النتائج مع الاختبارات الميكانيكية على العينات وتمكنوا من استنتاج: كلما زادت مدة المعالجة بسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية، زادت قوة الأجزاء الناتجة (انظر الشكل 4).

الشكل 4: رسم تخطيطي يبرز ارتباط زيادة وقت التعرض للأشعة فوق البنفسجية بزيادة قوة الشد (باللون الأسود) وانخفاض الاستطالة عند الكسر (باللون الأخضر) للمنتجات النهائية

وهذا يشير إلى أن الارتباط المتقاطع الحراري يعتمد على الشبكة التي سبق تشكيلها أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، وجد المؤلفون أيضًا أنه إذا انخفضت كمية الروابط المتصالبة الناتجة عن المعالجة الحرارية بشكل كبير، يمكن أن يحدث التقصف، وبالتالي يمكن أن ينخفض الأداء الميكانيكي أيضًا. يمكن قراءة الدراسة بأكملها هنا!

المصدر والانتماءات

1] Obst, P^.a, Riedelbauch, J^.a, Oehlmann, P.^a, Rietzel, D^.a, Launhardt, M^.c, Schmölzer, S^.d, Osswald, T.A^.e, Witt, G^.b(2020): التحقيق في تأثير وقت التعرض على تفاعل المعالجة المزدوجة لـ RPU 70 أثناء عملية DLS وخصائص الأجزاء الميكانيكية الناتجة. تصنيع المواد المضافة المجلد 32. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMWGroup, Additive Manufacturing Center, Munich, Germany, ^bInsititutefor Production Engineering, University Duisburg - Essen, Duisburg, Germany, ^cInstituteof Polymer Technology, Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Germany, ^dNETZSCHGmbH & Co. KG، سيلب، ألمانيا، ^ePمركزهندسة ^{البوليمرات،}قسم الهندسة الميكانيكية، جامعة ويسكونسن ماديسون، ماديسون، ويسكونسن 53706، الولايات المتحدة الأمريكية

التحليل الحراري وعلم الريولوجيا في التصنيع المضاف للبوليمر

اكتشف الأسرار الكامنة وراء قدرات التصنيع الإضافي التي تغير قواعد اللعبة! يتعمق كتابنا الإلكتروني الذي تم إصداره حديثًا في صميم عملية التصنيع الإضافي ويكشف النقاب عن قوة تقنيات توصيف المواد الموثوق بها، وتحديدًا التحليل الحراري وعلم الريولوجيا.

حمّل نسختك الآن!