Simulación térmica e identificación de puntos calientes en capas de fotopolímero mediante el software Termica Neo, Parte 2

Introducción

Los fotopolímeros son materiales fotosensibles que polimerizan al exponerse a la luz, transformando monómeros u oligómeros líquidos en redes sólidas y funcionales. En los procesos de fabricación aditiva (AM), como la litografía multifotónica y el chorro de fusión (FJ) [1], el comportamiento de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado de los fotopolímeros de acrilato está muy influido tanto por la intensidad de la luz UV como por la temperatura. En AM, el Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado del material se realiza capa a capa con espesores típicos de capa de alrededor de 50 a 100 μm [2,3], donde el material experimenta autocalentamiento debido a la reacción de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado exotérmica.

El objetivo de este estudio es investigar el comportamiento térmico de las capas de fotopolímero de diacrilato bajo condiciones isotérmicas variables e intensidades de luz UV, utilizando NETZSCH Dielectric Analysis para la monitorización experimental junto con el Kinetics Neo [5] y el software Termica Neo [6] para el análisis cinético, la simulación térmica y la identificación de puntos calientes.

Condiciones de medición

Las mediciones DEA se realizaron utilizando la instrumentación NETZSCH DEA en las condiciones de medición indicadas en la tabla 1. Las curvas DEA obtenidas constituyen la base del análisis cinético.

La figura 1 muestra nuestro instrumento para el análisis dieléctrico (DEA), que permite medir in situ el comportamiento de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado de diversos materiales reactivos. Múltiples sensores permiten medir con precisión la temperatura y la Viscosidad iónicaLa viscosidad iónica es el valor recíproco de la conductividad iónica, que se calcula a partir del factor de pérdida dieléctrica.viscosidad iónica, garantizando un rendimiento y una calidad óptimos.

Tabla 1: Condiciones de medición

Análisis cinético

Kinetics Neo para crear un modelo unificado para diferentes temperaturas e intensidades de luz UV con una intensidad de I0 = 75 mW/cm². En la Parte 1[4] se ofrece información detallada sobre la modelización cinética del Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado bajo diferentes intensidades de UV.

La figura 2 ilustra los efectos de la temperatura y la intensidad UV en el comportamiento de curado de los diacrilatos fotopoliméricos, medidos mediante DEA (Análisis Dieléctrico). Se creó un modelo cinético común utilizando el Kinetics Neo software. Los símbolos de rombo representan los datos experimentales, y las líneas continuas corresponden a las curvas ajustadas. En la Tabla 2 se detallan los parámetros cinéticos basados en las mediciones DEA.

Tabla 2: Parámetros cinéticos de los acrilatos fotopolímeros basados en mediciones DEA

Cnm: Reacción de ^enésimo orden con autocatálisis de potencia m

Software Termica Neo: Simulación

El proceso de curado ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico induce el autocalentamiento dentro del material, dando lugar a la formación de gradientes internos de temperatura. En este trabajo, simulamos el comportamiento de curado térmico de capas de fotopolímero de diacrilato modeladas como una geometría de losa infinita, con espesores de 100 μm y 300 μm, y con una entalpía de 301 J/g a partir de nuestras mediciones de DSC. En la simulación de los procesos de AM, la capa reactiva se coloca por encima de un bloque de polímero grueso de 10 cm con una temperatura controlada de 25°C por debajo de este bloque. Las temperaturas circundantes en la superficie superior de esta capa reactiva son de 90°C y 150°C bajo exposición UV con una intensidad dada de 75 ^mW/cm2. La simulación muestra cómo cambia la temperatura con el tiempo en las capas durante el proceso de curado.

Las figuras 3 (a) y 3 (b) presentan la simulación de la evolución de la temperatura a lo largo de tres minutos durante el proceso de curado para las capas de 100-μm y 300-μm. Ambas capas alcanzan sus temperaturas máximas aproximadamente al mismo tiempo (0,7 minutos): 90.4°C para la capa de 100-μm y 92,4°C para la capa de 300-μm para x=100%, que corresponde al espesor de referencia completo en la capa superficial superior. La mayor temperatura en la capa más gruesa indica una menor disipación del calor. En las capas gruesas, la reacción exotérmica libera internamente más entalpía acumulada, lo que provoca un autocalentamiento y una temperatura más elevada que en las capas finas.

Las figuras 4 (a) y 4 (b) muestran los perfiles de temperatura simulados a lo largo de un ciclo de curado de tres minutos para una capa de 100-μm en diferentes condiciones isotérmicas de 50°C y 150°C. Para ambas capas, la temperatura pico aumentó aproximadamente 0,35°C para una capa de 100-μm. En las diferentes condiciones isotérmicas de 50 °C y 150 °C, la principal diferencia se produjo en el tiempo para alcanzar la temperatura pico para x=100%, que corresponde al espesor de referencia completo en la capa de la superficie superior: a 150 °C, se produjo más rápidamente, en 0,6 minutos, mientras que a 50 °C, tardó 1,1 minutos.

La Figura 5 (a) muestra la simulación de la evolución de la temperatura a lo largo de tres minutos durante el proceso de curado de una capa de 300-μm a 150°C. La temperatura máxima aumentó aproximadamente 2,6 °C en esta capa para x=100%, que corresponde a su superficie superior.

La Figura 5 (b) presenta un gráfico de superficie en 3D que ilustra la temperatura en función tanto de la profundidad de la capa como del tiempo. La figura 5 (c) muestra un mapa térmico en 3D de la variación espacial de la temperatura en la capa a lo largo del tiempo. Estas visualizaciones permiten identificar rápidamente los puntos calientes térmicos.

Conclusión

El análisis dieléctrico (DEA) es una herramienta eficaz para controlar los fotopolímeros UV. Puede utilizarse no sólo en el laboratorio, sino también directamente en la línea de producción. En combinación con el Kinetics Neo se ha demostrado que las mediciones DEA determinan eficazmente los parámetros cinéticos que son función tanto de la temperatura como de la intensidad UV. El software Termica Neo añade un valor significativo mediante la simulación del comportamiento térmico de las capas de fotopolímeros, la predicción de la evolución de la temperatura, la identificación de posibles puntos calientes y la posibilidad de optimizar el espesor de la capa y las condiciones de curado.

Ventajas de la simulación térmica

Seguridad térmica y fiabilidad: Simule la evolución de la temperatura en diferentes espesores de capa para evitar el sobrecalentamiento o el curado desigual.

Identificación de puntos calientes: Detecte puntos calientes térmicos mediante perfiles de temperatura 3D y mapas térmicos.

Eficiencia en tiempo y costes: Reduzca los experimentos de ensayo y error y minimice el desperdicio de material.