Investigating UV Exposure and Thermal Cure in Vat Photopolymerization

Конфигурация на фотополимеризацията във вана

Една интересна конфигурация, оптимизирана за бърз печат, е използването на проекция на маска върху целия слой и движение на платформата за изграждане отгоре надолу. Това означава, че ултравиолетовият лазер не проследява формата на всеки слой на база пиксел, а по-скоро лазерният лъч се оформя в геометрията на целия слой и го експонира наведнъж. В същото време подходът "отгоре надолу" означава, че платформата за изграждане е потопена в смолата и прожектирането на UV светлината става отдолу през прозорец. След всеки слой платформата се премества нагоре с една височина на слоя и процесът се повтаря. Втвърдяването на слой между пространството на прозореца и платформата за изграждане или предишните слоеве на детайла може да доведе до залепване на детайла към прозореца и да повлияе на движението нагоре. Принципът на процеса е обяснен тук.

Ето защо в един от вариантите, често наричан цифров светлинен синтез (DLS), прозорецът наистина е кислороднопропусклива мембрана. Това позволява дифузията на кислород през прозореца и в празнината на смолата. Подобно на всички дифузионни процеси, промяната на концентрацията зависи от времето и води до насищане с кислород точно на границата между смолата и прозореца и до по-ниски концентрации по-нагоре в смолата. Този ефект се използва при чувствителни към кислород смоли, чиято реакция се потиска от кислорода. Типичен пример са акрилатите.

Благодарение на този ефект смолата остава течна на границата с прозореца и може лесно да се освободи по време на движението на платформата нагоре. Останалата част от смолата в междината, която е изложена на UV светлина, обаче се втвърдява. За да се разбере поведението на дадена смола при втвърдяване с UV лъчи, може да се използва диференциална фотокалориметрия (дадена от Photo-DSC), оборудвана с източник на UV светлина.

Как работи Photo-DSC

В статията си "Изследване на влиянието на времето на експозиция върху реакцията на двойно втвърдяване на RPU 70 по време на процеса DLS и произтичащите от това механични свойства на детайлите" Филип Обст и съавтори [1] си поставят за цел да покажат, че степента на термично омрежване на двукомпонентна смола се определя от предшестващата реакция на омрежване по време на фотополимеризацията [1].

Изследването, проведено в сътрудничество с NETZSCH Analyzing & Testing, използва Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® с разширение за UV светлина OmniCure^® S2000 SC и анализира твърда полиуретанова смола.

Смолата е система с двойно втвърдяване, която първоначално се втвърдява с UV светлина по време на процеса на 3D принтиране. По-късно тя се втвърдява при повишени температури в пещ, за да се подобрят допълнително механичните свойства и термичната стабилност на компонента. И двата етапа могат да бъдат изследвани с NETZSCH Photo-DSC, където източникът на UV светлина може да бъде свободно програмиран в комбинация с температурни рампи и изотермични сегменти. Ултравиолетовата светлина се излъчва от живачна лампа с мощност 200 W на късо разстояние arc, съдържаща се в DSC, и се изпраща чрез оптични влакна и лещи в камерата за измерване както върху пробата, така и върху празния съд. Използва се механизъм с въртяща се диафрагма, който позволява прецизни настройки на времето на експозиция, както и на интензитета на светлината директно в софтуераNETZSCH Proteus^®. Системата Omnicure предлага освен това широк спектър на изхода, който може да се адаптира с филтри за ограничаване на лентата, ако за дадено приложение са необходими специфични дължини на вълната.

Как да измервате UV и термично втвърдяване с NETZSCH Photo-DSC

Цялото проучване може да бъде намерено тук, но тук ще бъде представено едно примерно измерване, включително анализът.

За проведените експерименти е използван пълният спектър на инструмента OmniCure^®. Поради постоянното разстояние от 20 mm между светлинния изход и образеца възниква загуба на интензитет. Поради това се използва коефициент на преобразуване, за да се коригира загубата. За да се постигне интензивността на светлината от около 9 ^mW/cm2, която се среща в 3D принтера, в софтуера е използвана настройка от 0,5 ^W/cm2.

За всяко измерване излагането на UV лъчи се извършва при 30°C по време на 5-минутен изотермичен сегмент. След това пробата се нагрява до 120°C, като се използва скорост на нагряване от 3 K/min и се поддържа постоянна за 10 минути, за да се гарантира, че втвърдяването е приключило, преди да се охлади обратно до 30°C.

Всички условия на измерване са обобщени в следната таблица:

Таблица 1: Условия на измерване

На фигура 1 е показан резултатът от UV втвърдяването и последващото термично втвърдяване. В началото на изотермичния сегмент пробата е изложена на въздействието на UV лъчите за 6,8 s и е измерена екзотермична енталпия от 78,4 J/g. По време на следващия етап на нагряване се извършва термично втвърдяване на образеца, което вече е приключило, когато е достигната крайната температура от 120 °C.

Това може да се види по-добре на Фигура 2, където е подчертано отклонението от базовата линия. Вижда се, че екзотермичната енталпия, дължаща се на термичното втвърдяване, е 20,89 J/g.

По време на излагане на ултравиолетови лъчи измерената енергия, генерирана от чиста светлина, трябва да се коригира. Поради тази причина стъпката на излагане на UV лъчи се повтаря върху пробата от напълно втвърдена смола и се измерва увеличението на енталпията. Резултатът е показан на фигура 3. Синята крива показва първоначалното измерване (вж. фигура 1), а черната крива показва енталпията на UV експозицията на напълно втвърдената смола. Използвайки функцията за изваждане в Proteus^® софтуера се изчислява коригираната енталпия, която се визуализира като зелена крива. Екзотермичната енталпия след корекцията е 70,29 J/g.

Правилният баланс е от значение

Този пример показва, че при време на експозиция от 6,8 s по-голямата част от втвърдяването се извършва по време на експозицията на UV лъчи в сравнение с термичното втвърдяване (21 J/g). Вижда се, че комбинацията от Photo-DSC и конвенционална DSC функционалност е в състояние да анализира такива сложни материални системи. Цялостното изследване показва, че по-ниските времена на експозиция изместват това съотношение в обратна посока: при ниска продължителност на експозицията по-голямата част от напречните връзки се образуват по време на етапа на термично втвърдяване.

Авторите комбинират тези резултати с механични тестове на образците и успяват да заключат: колкото повече втвърдяване е станало вследствие на излагането на ултравиолетова светлина, толкова по-здрави са получените части (вж. фигура 4).

Това показва, че термичното омрежване зависи от предварително формираната мрежа по време на излагане на UV лъчи. Авторите обаче установяват също така, че ако количеството на омрежванията от термичното втвърдяване стане твърде ниско, може да възникне крехкост и по този начин, от своя страна, да се намалят и механичните характеристики. Цялото изследване можете да прочетете тук!

Източник и връзки

1] Obst, P.^a, Riedelbauch, J.^a, Oehlmann, P.^a, Rietzel, D^.a, Launhardt, M.^c, Schmölzer, S.^d, Osswald, T.A.^e и Witt, G.^b (2020): Изследване на влиянието на времето на експозиция върху реакцията на двойно втвърдяване на RPU 70 по време на процеса DLS и произтичащите от това механични свойства на детайлите. Additive Manufacturing Volume 32. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMWGroup, Център за адитивно производство, Мюнхен, Германия, ^{bИнститут за}производствено инженерство, Университет Дуисбург - Есен, Дуисбург, Германия, ^{cИнститут по}полимерни технологии, Университет Фридрих-Александър Ерланген-Нюрнберг, Ерланген, Германия, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, Селб, Германия, ^{eЦентър}за ^{полимерно}инженерство, Катедра по машинно инженерство, Университет Уисконсин-Медисън, Медисън, WI 53706 САЩ

Още изследвания на смоли с двойно втвърдяване с помощта на NETZSCH Photo-DSC

Изследване на смоли с двойно втвърдяване за дигитален светлинен синтез (DLS) с Photo-DSC 204 F1 Phoenix^®

Фотополимерите, използвани в технологията за адитивно производство Digital Light Synthesis (DLS), са предизвикателни материали. Досега е известно малко за последиците от повишените температури, например поради по-високите температури в помещението. Изследователската статия има за цел да проучи влиянието на температурите върху такива смоли с двойно втвърдяване и установява, че фото-ДСК е най-ефективен за проследяване на термичната конверсия, както и за определяне на оптималното време на експозиция.

Как Photo-DSC усъвършенства протоколите за изпитване на течни проби за адитивно производство

Фотополимерите придобиват все по-голямо значение в много индустрии. Цифровият светлинен синтез (DLS), технология за адитивно производство, е ярък пример за използване на фотополимери. Научете защо NETZSCH Photo-DSC е доказан метод за оптимизиране на процеса на адитивно производство.