Tepelná simulace a identifikace horkých míst ve fotopolymerních vrstvách pomocí softwaru Termica Neo, část 2

Úvod

Fotopolymery jsou materiály citlivé na světlo, které po vystavení světlu polymerizují a přeměňují kapalné monomery nebo oligomery na pevné funkční sítě. V procesech aditivní výroby (AM), včetně multifotonové litografie a fúzního tryskání (FJ) [1], je chování akrylátových fotopolymerů při vytvrzování silně ovlivněno intenzitou UV záření i teplotou. Při AM se vytvrzování materiálu provádí po vrstvách s typickými tloušťkami vrstev kolem 50 až 100 μm [2,3], přičemž dochází k samovolnému zahřívání materiálu v důsledku exotermní vytvrzovací reakce.

Cílem této studie je zkoumat tepelné chování vrstev diacrylátového fotopolymeru za různých IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických podmínek a intenzity UV záření s využitím NETZSCH Dielektrické analýzy pro experimentální sledování spolu s Kinetics Neo [5] a softwaru Termica Neo [6] pro kinetickou analýzu, tepelnou simulaci a identifikaci horkých míst.

Podmínky měření

Měření DEA bylo provedeno pomocí přístrojů NETZSCH DEA za podmínek měření uvedených v tabulce 1. Získané křivky DEA jsou základem pro kinetickou analýzu.

Na obr. 1 je znázorněn náš přístroj pro dielektrickou analýzu (DEA), který umožňuje měření chování různých reaktivních materiálů při vytvrzování in-situ. Více senzorů umožňuje přesné měření teploty a viskozity iontů, což zajišťuje optimální výkon a kvalitu.

Tabulka 1: Podmínky měření

Kinetická analýza

Kinetics Neo software se používá k vytvoření jednotného modelu pro různé teploty a intenzity UV záření s intenzitou I0 = 75 mW/cm². Podrobné informace o kinetickém modelování vytvrzování při různých intenzitách UV záření naleznete v části 1 [4].

Na obrázku 2 je znázorněn vliv teploty a intenzity UV záření na chování fotopolymerních diacrylátů při vytvrzování, měřený pomocí DEA (dielektrické analýzy). Společný kinetický model byl vytvořen s využitím tzv Kinetics Neo softwaru. Symboly kosočtverců představují experimentální data a plné čáry odpovídají přizpůsobeným křivkám. V tabulce 2 jsou podrobně uvedeny kinetické parametry založené na měření DEA.

Tabulka 2: Kinetické parametry fotopolymerních akrylátů na základě měření DEA

Cnm: Reakce ^n-tého řádu s m-mocnou autokatalýzou

Software Termica Neo: Simulace

Exotermický proces vytvrzování vyvolává v materiálu samovolné zahřívání, což vede ke vzniku vnitřních teplotních gradientů. V této práci simulujeme tepelné chování vrstev diacrylátového fotopolymeru modelovaných jako nekonečná deska o tloušťce 100 μm a 300 μm a s entalpií 301 J/g z našich měření DSC. Při simulaci procesů AM je reaktivní vrstva umístěna nad polymerním blokem o tloušťce 10 cm s řízenou teplotou 25 °C pod tímto blokem. Okolní teploty na horním povrchu této reaktivní vrstvy jsou 90 °C a 150 °C při UV záření s danou intenzitou 75 ^mW/cm2. Simulace ukazuje, jak se teplota ve vrstvách během vytvrzování mění v čase.

Obrázky 3 (a) a 3 (b) představují simulaci vývoje teploty v průběhu tří minut během procesu vytvrzování pro vrstvy o tloušťce 100 μm a 300 μm. Obě vrstvy dosahují maximálních teplot přibližně ve stejnou dobu (0,7 minuty): 90.4 °C pro 100μm vrstvu a 92,4 °C pro 300μm vrstvu pro x=100 %, což odpovídá plné referenční tloušťce na horní povrchové vrstvě. Vyšší teplota v silnější vrstvě ukazuje na snížený odvod tepla. V tlustých vrstvách se při exotermické reakci uvolňuje více nahromaděné vnitřní entalpie, což vede k samovolnému zahřívání a vyšší teplotě než u tenkých vrstev.

Obrázky 4 (a) a 4 (b) ukazují simulované teplotní profily během tříminutového vytvrzovacího cyklu pro vrstvu o tloušťce 100 μm za různých IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických podmínek 50 °C a 150 °C. U obou vrstev se vrcholová teplota zvýšila přibližně o 0,35 °C pro 100μm vrstvu. Při různých IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických podmínkách 50 °C a 150 °C byl hlavní rozdíl v době dosažení vrcholové teploty pro x=100 %, což odpovídá plné referenční tloušťce u horní povrchové vrstvy: při 150 °C k tomu došlo rychleji, za 0,6 minuty, zatímco při 50 °C to trvalo 1,1 minuty.

Obrázek 5 (a) ukazuje simulaci vývoje teploty během tří minut při vytvrzování 300 μm vrstvy při 150 °C. U této vrstvy se pro x=100 %, což odpovídá jejímu hornímu povrchu, zvýšila maximální teplota přibližně o 2,6 °C.

Obrázek 5 (b) představuje 3D povrchový graf znázorňující teplotu jako funkci hloubky vrstvy i času. Obrázek 5 (c) znázorňuje 3D tepelnou mapu zobrazující prostorové změny teploty napříč vrstvou v čase. Tyto vizualizace umožňují rychlou identifikaci teplotních ohnisek.

Závěr

Dielektrická analýza (DEA) je účinným nástrojem pro sledování UV fotopolymerů. Lze ji použít nejen v laboratoři, ale i přímo na výrobní lince. V kombinaci s Kinetics Neo softwarem bylo prokázáno, že měření DEA účinně určuje kinetické parametry, které jsou funkcí teploty i intenzity UV záření. Software Termica Neo přináší významnou přidanou hodnotu tím, že simuluje tepelné chování fotopolymerních vrstev, předpovídá vývoj teploty, identifikuje potenciální horká místa a umožňuje optimalizaci tloušťky vrstvy a podmínek vytvrzování.

Výhody tepelné simulace

Tepelná bezpečnost a spolehlivost: Simulujte vývoj teploty v různých tloušťkách vrstev, abyste zabránili přehřátí nebo nerovnoměrnému vytvrzení.

Identifikace horkých míst: Detekce tepelných horkých míst pomocí 3D teplotních profilů a tepelných map.

Časová a nákladová efektivita: Snižte počet pokusů metodou pokus-omyl a minimalizujte plýtvání materiálem.