Investigating UV Exposure and Thermal Cure in Vat Photopolymerization

Konfigurace fotopolymerizace v kádi

Jednou ze zajímavých konfigurací optimalizovaných pro rychlý tisk je použití projekce masky na celou vrstvu a pohyb konstrukční platformy shora dolů. To znamená, že UV laser nesleduje tvar každé vrstvy po jednotlivých pixelech, ale laserový paprsek je tvarován do geometrie celé vrstvy a osvítí ji celou najednou. Přístup shora dolů zároveň znamená, že stavební platforma je ponořena do pryskyřice a k projekci UV světla dochází zespodu přes okénko. Po každé vrstvě se platforma posune o jednu výšku vrstvy nahoru a proces se opakuje. Vytvrzení vrstvy mezi mezerou okénka a stavěcí plošinou nebo předchozími vrstvami dílu může vést k přilnutí dílu k okénku a ovlivnit pohyb nahoru. Princip procesu je vysvětlen zde.

V jedné z variant, často označované jako digitální světelná syntéza (DLS), je tedy okno skutečně membránou propouštějící kyslík. To umožňuje difúzi kyslíku přes okénko do mezery mezi pryskyřicí. Jako u všech difúzních procesů je změna koncentrace závislá na čase a vede k nasycení kyslíkem přímo na rozhraní pryskyřice a okénka a k nižším koncentracím dále v pryskyřici. Tento efekt se využívá u pryskyřic citlivých na kyslík, jejichž reakce je kyslíkem inhibována. Typickým příkladem jsou akryláty.

Díky tomuto efektu zůstává pryskyřice na rozhraní s okénkem tekutá a může se snadno uvolňovat při pohybu plošiny směrem nahoru. Zbytek pryskyřice v mezeře, která je vystavena UV záření, se však vytvrzuje. K pochopení chování dané pryskyřice při vytvrzování UV zářením lze použít diferenciální fotokalorimetrii (danou přístrojem Photo-DSC) vybaveným zdrojem UV světla.

Jak funguje systém Photo-DSC

Philip Obstet al. [1] si ve svém článku "Investigation of the influence of exposure time on the dual-curing reaction of RPU 70 during the DLS process and the resulting mechanical part properties" (Zkoumání vlivu doby expozice na reakci dvojího vytvrzování RPU 70 během procesu DLS a výsledné mechanické vlastnosti dílů) stanovili cíl ukázat, že stupeň tepelného zesíťování dvousložkové pryskyřice je určen předchozí zesíťovací reakcí během fotopolymerizace [1].

Studie provedená ve spolupráci se společností NETZSCH Analyzing & Testing využívá přístroj Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® s nástavcem pro UV světlo OmniCure^® S2000 SC a analyzuje tuhou polyuretanovou pryskyřici.

Jedná se o pryskyřici s duálním Vytvrzování (síťovací reakce)V doslovném překladu termín "crosslinking" znamená "křížové propojení". V chemickém kontextu se používá pro reakce, při nichž se molekuly spojují kovalentními vazbami a vytvářejí trojrozměrné sítě.vytvrzováním, která se během procesu 3D tisku nejprve vytvrzuje UV světlem. Později se vytvrzuje při zvýšených teplotách v peci, aby se dále zlepšily mechanické vlastnosti a Tepelná stabilitaMateriál je tepelně stabilní, pokud se vlivem teploty nerozkládá. Jedním ze způsobů, jak určit tepelnou stabilitu látky, je použití termogravimetrického analyzátoru (TGA). tepelná stabilita součásti. Oba kroky lze zkoumat pomocí přístroje NETZSCH Photo-DSC, kde lze libovolně programovat zdroj UV světla v kombinaci s teplotními rampami a IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermickými segmenty. UV světlo je vyzařováno rtuťovou krátkou lampou o výkonu 200 W arc obsaženou v DSC a vysíláno přes optická vlákna a čočky do měřicí komory na vzorek i prázdnou misku. K přesnému nastavení doby expozice i intenzity světla přímo v softwaruNETZSCH Proteus^® slouží otočný mechanismus clony. Systém Omnicure dále nabízí široké výstupní spektrum, které lze přizpůsobit pomocí filtrů omezujících pásmo, pokud jsou pro danou aplikaci potřebné specifické vlnové délky.

Jak měřit UV a tepelné vytvrzování pomocí NETZSCH Photo-DSC

Celou studii naleznete zde, zde však bude představen jeden příklad měření včetně analýzy.

Pro provedené experimenty bylo použito kompletní spektrum přístroje OmniCure^®. Vzhledem ke konstantní vzdálenosti 20 mm mezi světelným výstupem a vzorkem dochází ke ztrátě intenzity. Proto se k úpravě této ztráty používá konverzní faktor. Pro dosažení intenzity světla přibližně 9 ^mW/cm2, která se vyskytuje v 3D tiskárně, bylo v softwaru použito nastavení 0,5 ^W/cm2.

Při každém měření se expozice UV záření provádí při teplotě 30 °C během 5minutového IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického úseku. Poté se vzorek zahřeje na 120 °C rychlostí ohřevu 3 K/min a udržuje se konstantní po dobu 10 minut, aby se zajistilo dokončení vytvrzování, a následně se ochladí zpět na 30 °C.

Všechny podmínky měření jsou shrnuty v následující tabulce:

Tabulka 1: Podmínky měření

Na obrázku 1 je znázorněn výsledek UV vytvrzování a následného tepelného vytvrzování. Na začátku IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického úseku je vzorek exponován po dobu 6,8 s a výsledná exotermická entalpie je naměřena 78,4 J/g. Během následujícího kroku zahřívání dochází k tepelnému vytvrzování vzorku, které je ukončeno již při dosažení koncové teploty 120 °C.

To lze lépe pozorovat na obrázku 2, kde je zvýrazněna odchylka od základní linie. Je vidět, že exotermická entalpie způsobená tepelným Vytvrzování (síťovací reakce)V doslovném překladu termín "crosslinking" znamená "křížové propojení". V chemickém kontextu se používá pro reakce, při nichž se molekuly spojují kovalentními vazbami a vytvářejí trojrozměrné sítě.vytvrzováním je 20,89 J/g.

Při expozici UV záření je třeba naměřenou energii generovanou čistým světlem korigovat. Z tohoto důvodu se krok expozice UV záření opakuje na vzorku plně vytvrzené pryskyřice a měří se nárůst entalpie. Výsledek je uveden na obrázku 3. Modrá křivka znázorňuje počáteční měření (viz obrázek 1) a černá křivka znázorňuje entalpii při expozici plně vytvrzené pryskyřice UV zářením. Pomocí odečítací funkce v Proteus^® softwaru se vypočítá korigovaná entalpie a zobrazí se jako zelená křivka. Exotermní entalpie po korekci je 70,29 J/g.

Záleží na správné rovnováze

Tento příklad ukazuje, že při době expozice 6,8 s dochází k většině vytvrzování během UV expozice ve srovnání s tepelným Vytvrzování (síťovací reakce)V doslovném překladu termín "crosslinking" znamená "křížové propojení". V chemickém kontextu se používá pro reakce, při nichž se molekuly spojují kovalentními vazbami a vytvářejí trojrozměrné sítě.vytvrzováním (21 J/g). Je vidět, že kombinace funkce Photo-DSC a konvenční DSC je schopna analyzovat takto složité materiálové systémy. Kompletní studie ukazuje, že nižší doba expozice posouvá tento poměr opačným směrem: při nízké době expozice se většina příčných vazeb vytváří během kroku tepelného vytvrzování.

Autoři zkombinovali tyto výsledky s mechanickými zkouškami vzorků a mohli dojít k závěru: čím více vytvrzení proběhlo v důsledku expozice UV zářením, tím pevnější jsou výsledné díly (viz obrázek 4).

To naznačuje, že tepelné zesíťování závisí na dříve vytvořené síti během expozice UV záření. Autoři však také zjistili, že pokud je množství příčných vazeb z tepelného vytvrzování příliš nízké, může dojít ke křehnutí, a tím i ke snížení mechanických vlastností. Celou studii si můžete přečíst zde!

Zdroj a afilace

1] Obst, P.^a, Riedelbauch, J.^a, Oehlmann, P.^a, Rietzel, D^.a, Launhardt, M^.c, Schmölzer, S.^d, Osswald, T.A.^e a Witt, G.^b (2020): Zkoumání vlivu doby expozice na reakci dvojího vytvrzování RPU 70 během procesu DLS a výsledné mechanické vlastnosti dílů. Additive Manufacturing Volume 32. https://doi. org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMWGroup, Additive Manufacturing Center, Mnichov, Německo, ^bInsititutefor Production Engineering, University Duisburg - Essen, Duisburg, Německo, ^{cInstitute of}Polymer Technology, Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Německo, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, Selb, Německo, ^ePolymerEngineering Center, Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706 USA

Další zkoumání pryskyřic s duálním vytvrzováním pomocí NETZSCH Photo-DSC

Zkoumání duálně vytvrzujících pryskyřic pro digitální světelnou syntézu (DLS) pomocí přístroje Photo-DSC 204 F1 Phoenix^®

Fotopolymery používané v technologii aditivní výroby Digital Light Synthesis (DLS) jsou náročné materiály. O důsledcích zvýšených teplot, např. v důsledku vyšších pokojových teplot, je zatím známo jen málo. Výzkumný článek si klade za cíl prozkoumat vliv teplot na takové pryskyřice s duálním Vytvrzování (síťovací reakce)V doslovném překladu termín "crosslinking" znamená "křížové propojení". V chemickém kontextu se používá pro reakce, při nichž se molekuly spojují kovalentními vazbami a vytvářejí trojrozměrné sítě.vytvrzováním a zjišťuje, že Photo-DSC je nejúčinnější při sledování tepelné přeměny, stejně jako na Identify optimální doby expozice.

Jak Photo-DSC zlepšuje zkušební protokoly kapalných vzorků pro aditivní výrobu

Fotopolymery získávají v mnoha průmyslových odvětvích stále větší význam. Digitální světelná syntéza (DLS), technologie aditivní výroby, je ukázkovým příkladem použití fotopolymerů. Přečtěte si, proč je NETZSCH Photo-DSC osvědčenou metodou pro optimalizaci procesu aditivní výroby.