Διερεύνηση της έκθεσης στην υπεριώδη ακτινοβολία και της θερμικής σκλήρυνσης στον φωτοπολυμερισμό σε βαρέλι

Διαμόρφωση του φωτοπολυμερισμού Vat

Μια ενδιαφέρουσα διαμόρφωση βελτιστοποιημένη για ταχεία εκτύπωση είναι η χρήση προβολής μάσκας ολόκληρου του στρώματος και η κίνηση της πλατφόρμας κατασκευής από πάνω προς τα κάτω. Αυτό σημαίνει ότι το λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας δεν ανιχνεύει το σχήμα κάθε στρώματος ανά εικονοστοιχείο, αλλά η δέσμη λέιζερ διαμορφώνεται στη γεωμετρία ολόκληρου του στρώματος και το εκθέτει ταυτόχρονα. Ταυτόχρονα, η προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω σημαίνει ότι η πλατφόρμα κατασκευής είναι βυθισμένη στη ρητίνη και η προβολή του φωτός UV γίνεται από κάτω μέσω ενός παραθύρου. Μετά από κάθε στρώμα, η πλατφόρμα μετακινείται προς τα πάνω κατά ένα ύψος στρώματος και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Η σκλήρυνση ενός στρώματος μεταξύ του διακένου του παραθύρου και της πλατφόρμας κατασκευής ή προηγούμενων στρώσεων του τεμαχίου μπορεί να οδηγήσει σε προσκόλληση του τεμαχίου στο παράθυρο και να επηρεάσει την ανοδική κίνηση. Η αρχή της διαδικασίας εξηγείται εδώ.

Επομένως, σε μια παραλλαγή που συχνά αναφέρεται ως ψηφιακή σύνθεση με φως (DLS), το παράθυρο είναι πράγματι μια μεμβράνη διαπερατή από οξυγόνο. Αυτό επιτρέπει τη διάχυση του οξυγόνου μέσω του παραθύρου και στο διάκενο ρητίνης. Όπως όλες οι διαδικασίες διάχυσης, η μεταβολή της συγκέντρωσης εξαρτάται από το χρόνο και έχει ως αποτέλεσμα έναν κορεσμό οξυγόνου ακριβώς στη διεπιφάνεια της ρητίνης και του παραθύρου και χαμηλότερες συγκεντρώσεις πιο πάνω στη ρητίνη. Το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιείται με ρητίνες ευαίσθητες στο οξυγόνο, η αντίδραση των οποίων αναστέλλεται από το οξυγόνο. Ένα τυπικό παράδειγμα είναι τα ακρυλικά.

Λόγω αυτού του φαινομένου, η ρητίνη παραμένει υγρή στη διεπιφάνεια με το παράθυρο και μπορεί εύκολα να απελευθερωθεί κατά την ανοδική κίνηση της πλατφόρμας. Η υπόλοιπη ρητίνη στο διάκενο που εκτίθεται στο υπεριώδες φως, ωστόσο, σκληραίνει. Για την κατανόηση της συμπεριφοράς της UV σκλήρυνσης μιας συγκεκριμένης ρητίνης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η διαφορική φωτοκαλωσιμετρία (που παρέχεται από ένα Photo-DSC) εξοπλισμένο με μια πηγή UV φωτός.

Πώς λειτουργεί ένα Photo-DSC

Στην εργασία τους "Διερεύνηση της επίδρασης του χρόνου έκθεσης στην αντίδραση διπλής σκλήρυνσης του RPU 70 κατά τη διαδικασία DLS και τις προκύπτουσες μηχανικές ιδιότητες του εξαρτήματος", οι Philip Obstet κ.ά. [1] έθεσαν ως στόχο να δείξουν ότι ο βαθμός θερμικής διασύνδεσης μιας ρητίνης δύο συστατικών καθορίζεται από την προηγούμενη αντίδραση διασύνδεσης κατά τον φωτοπολυμερισμό [1].

Η μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με την εταιρεία NETZSCH Analyzing & Testing χρησιμοποιεί ένα Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® με προέκταση UV φωτός OmniCure^® S2000 SC και αναλύει μια άκαμπτη ρητίνη πολυουρεθάνης.

Η ρητίνη είναι ένα σύστημα διπλής σκλήρυνσης που αρχικά σκληραίνεται με υπεριώδες φως κατά τη διάρκεια της διαδικασίας τρισδιάστατης εκτύπωσης. Αργότερα, σκληρύνεται σε αυξημένες θερμοκρασίες σε κλίβανο για την περαιτέρω βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της θερμικής σταθερότητας του εξαρτήματος. Και τα δύο στάδια μπορούν να διερευνηθούν με το NETZSCH Photo-DSC, όπου η πηγή φωτός UV μπορεί να προγραμματιστεί ελεύθερα σε συνδυασμό με ράμπες θερμοκρασίας και ισοθερμικά τμήματα. Το υπεριώδες φως εκπέμπεται από μια λυχνία υδραργύρου 200 W μικρής ισχύος arc που περιέχεται στο DSC και αποστέλλεται μέσω οπτικών ινών και φακών στο θάλαμο μετρήσεων τόσο στο δείγμα όσο και στο κενό ταψί. Χρησιμοποιείται ένας περιστροφικός μηχανισμός ίριδας που επιτρέπει την ακριβή ρύθμιση των χρόνων έκθεσης καθώς και των εντάσεων φωτός απευθείας στο λογισμικόNETZSCH Proteus^®. Το σύστημα Omnicure προσφέρει επιπλέον ένα ευρύ φάσμα εξόδου, το οποίο μπορεί να προσαρμοστεί με φίλτρα περιορισμού ζώνης, εάν απαιτούνται συγκεκριμένα μήκη κύματος για μια εφαρμογή.

Πώς να μετράτε την υπεριώδη και θερμική σκλήρυνση με ένα NETZSCH Photo-DSC

Ενώ ολόκληρη η μελέτη μπορεί να βρεθεί εδώ, ένα παράδειγμα μέτρησης, συμπεριλαμβανομένης της ανάλυσης, θα παρουσιαστεί εδώ.

Για τα πειράματα που διεξήχθησαν, χρησιμοποιήθηκε το πλήρες φάσμα του οργάνου OmniCure^®. Λόγω της σταθερής απόστασης 20 mm μεταξύ της φωτεινής εξόδου και του δείγματος, παρατηρείται απώλεια έντασης. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ένας συντελεστής μετατροπής για την προσαρμογή της απώλειας. Για να επιτευχθεί η ένταση του φωτός περίπου 9 ^mW/cm2 που εμφανίζεται στον τρισδιάστατο εκτυπωτή, χρησιμοποιήθηκε στο λογισμικό ρύθμιση 0,5 ^W/cm2.

Για κάθε μέτρηση, η έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία πραγματοποιείται στους 30°C κατά τη διάρκεια ισοθερμοκρασιακού τμήματος 5 λεπτών. Στη συνέχεια, το δείγμα θερμαίνεται στους 120°C με ρυθμό θέρμανσης 3 K/min και διατηρείται σταθερό για 10 λεπτά για να διασφαλιστεί η ολοκλήρωση της σκλήρυνσης, προτού ψυχθεί ξανά στους 30°C.

Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται το αποτέλεσμα της σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία και της επακόλουθης θερμικής σκλήρυνσης. Στην αρχή του ισοθερμικού τμήματος, το δείγμα εκτίθεται για 6,8 s και η προκύπτουσα εξώθερμη ενθαλπία μετράται σε 78,4 J/g. Κατά τη διάρκεια του επόμενου βήματος θέρμανσης, λαμβάνει χώρα η θερμική σκλήρυνση του δείγματος και έχει ήδη ολοκληρωθεί όταν επιτευχθεί η τελική θερμοκρασία των 120°C.

Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί καλύτερα στο Σχήμα 2, όπου επισημαίνεται η απόκλιση από τη βασική γραμμή. Φαίνεται ότι η εξώθερμη ενθαλπία λόγω της θερμικής σκλήρυνσης είναι 20,89 J/g.

Κατά την έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία, η μετρούμενη ενέργεια που παράγεται από καθαρό φως πρέπει να διορθωθεί. Για το λόγο αυτό, το βήμα έκθεσης σε υπεριώδη ακτινοβολία επαναλαμβάνεται στο δείγμα ρητίνης που έχει σκληρυνθεί πλήρως και μετράται η αύξηση της ενθαλπίας. Το αποτέλεσμα παρουσιάζεται στο σχήμα 3. Η μπλε καμπύλη δείχνει την αρχική μέτρηση (βλ. Σχήμα 1) και η μαύρη καμπύλη δείχνει την ενθαλπία της έκθεσης στην υπεριώδη ακτινοβολία της πλήρως σκληρυμένης ρητίνης. Χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση αφαίρεσης στο Proteus^® λογισμικού, υπολογίζεται η διορθωμένη ενθαλπία και απεικονίζεται ως η πράσινη καμπύλη. Η εξώθερμη ενθαλπία μετά τη διόρθωση είναι 70,29 J/g.

Η σωστή ισορροπία έχει σημασία

Αυτό το παράδειγμα δείχνει ότι με χρόνο έκθεσης 6,8 s, το μεγαλύτερο μέρος της σκλήρυνσης συμβαίνει κατά τη διάρκεια της έκθεσης στην υπεριώδη ακτινοβολία σε σύγκριση με τη θερμική σκλήρυνση (21 J/g). Γίνεται αντιληπτό ότι ο συνδυασμός της λειτουργίας Photo-DSC και της συμβατικής λειτουργίας DSC είναι σε θέση να αναλύσει τόσο πολύπλοκα συστήματα υλικών. Η πλήρης μελέτη δείχνει ότι οι μικρότεροι χρόνοι έκθεσης μετατοπίζουν αυτή την αναλογία προς την αντίθετη κατεύθυνση: σε χαμηλή διάρκεια έκθεσης, η πλειονότητα των σταυροδεσμών σχηματίζεται κατά το στάδιο της θερμικής σκλήρυνσης.

Οι συγγραφείς συνδύασαν αυτά τα αποτελέσματα με μηχανικές δοκιμές στα δείγματα και μπόρεσαν να καταλήξουν στο συμπέρασμα: όσο περισσότερη σκλήρυνση συνέβη λόγω της έκθεσης σε υπεριώδη ακτινοβολία, τόσο ισχυρότερα είναι τα μέρη που προκύπτουν (βλ. Σχήμα 4).

Αυτό υποδεικνύει ότι η θερμική διασύνδεση εξαρτάται από το δίκτυο που έχει προηγουμένως σχηματιστεί κατά την έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία. Ωστόσο, οι συγγραφείς διαπίστωσαν επίσης ότι εάν η ποσότητα των σταυροδεσμών από τη θερμική σκλήρυνση γίνει πολύ χαμηλή, μπορεί να εμφανιστεί ευθραυστότητα και έτσι, με τη σειρά της, μπορεί να μειωθεί και η μηχανική απόδοση. Ολόκληρη η μελέτη μπορεί να διαβαστεί εδώ!

Πηγή και συνεργασίες

1] Obst, P^.a, Riedelbauch, J^.a, Oehlmann, P^.a, Rietzel, D^.a, Launhardt, M^.c, Schmölzer, S^.d, Osswald, T.A^.e και Witt, G^.b (2020): Διερεύνηση της επίδρασης του χρόνου έκθεσης στην αντίδραση διπλής σκλήρυνσης του RPU 70 κατά τη διαδικασία DLS και στις προκύπτουσες μηχανικές ιδιότητες του τεμαχίου. Additive Manufacturing Volume 32. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMWGroup, Additive Manufacturing Center, Μόναχο, Γερμανία, ^bInsitutefor Production Engineering, University Duisburg - Essen, Duisburg, Γερμανία, ^cInstituteof Polymer Technology, Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Γερμανία, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, Selb, Γερμανία, ^ePolymerEngineering Center, Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706 USA

Περισσότερες έρευνες για ρητίνες διπλής σκλήρυνσης με το NETZSCH Photo-DSC

Διερεύνηση ρητινών διπλής σκλήρυνσης για ψηφιακή σύνθεση με φως (DLS) με το Photo-DSC 204 F1 Phoenix^®

Τα φωτοπολυμερή που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία προσθετικής κατασκευής Digital Light Synthesis (DLS) είναι απαιτητικά υλικά. Λίγα είναι μέχρι στιγμής γνωστά για τις συνέπειες των αυξημένων θερμοκρασιών, π.χ. λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών δωματίου. Μια εργασία research στοχεύει στη διερεύνηση της επίδρασης των θερμοκρασιών σε τέτοιες ρητίνες διπλής σκλήρυνσης και διαπιστώνει ότι το Photo-DSC είναι πιο αποτελεσματικό στην παρακολούθηση της θερμικής μετατροπής καθώς και στον προσδιορισμό των βέλτιστων χρόνων έκθεσης.

Πώς το Photo-DSC βελτιώνει τα πρωτόκολλα δοκιμής υγρών δειγμάτων για την προσθετική κατασκευή

Τα φωτοπολυμερή έχουν αποκτήσει αυξημένη σημασία σε πολλές βιομηχανίες. Η ψηφιακή σύνθεση φωτός (DLS), μια τεχνολογία προσθετικής κατασκευής, είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα χρήσης φωτοπολυμερών. Μάθετε γιατί το NETZSCH Photo-DSC είναι μια αποδεδειγμένη μέθοδος για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής.