Investigating UV Exposure and Thermal Cure in Vat Photopolymerization

Configuración de la fotopolimerización en cuba

Una configuración interesante optimizada para la impresión rápida es el uso de la proyección de máscara de toda la capa y un movimiento descendente de la plataforma de construcción. Esto significa que el láser UV no traza la forma de cada capa por píxeles, sino que el rayo láser se adapta a la geometría de toda la capa y la expone de una sola vez. Al mismo tiempo, el enfoque descendente significa que la plataforma de construcción está sumergida en la resina y la proyección de luz UV se produce desde la parte inferior a través de una ventana. Después de cada capa, la plataforma se desplaza una capa hacia arriba y se repite el proceso. 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 de una capa entre el hueco de la ventana y la plataforma de construcción o las capas anteriores de la pieza puede provocar la adhesión de la pieza a la ventana y afectar al movimiento ascendente. Aquí se explica el principio del proceso.

Por lo tanto, en una variante denominada a menudo Síntesis Digital de Luz (DLS), la ventana es de hecho una membrana permeable al oxígeno. Esto permite la difusión de oxígeno a través de la ventana y en el hueco de resina. Como todos los procesos de difusión, el cambio de concentración depende del tiempo y da lugar a una saturación de oxígeno justo en la interfaz de la resina y la ventana y a concentraciones más bajas más arriba en la resina. Este efecto se utiliza con resinas sensibles al oxígeno, cuya reacción se ve inhibida por el oxígeno. Un ejemplo típico serían los acrilatos.

Debido a este efecto, la resina permanece líquida en la interfaz con la ventana y puede liberarse fácilmente durante el movimiento ascendente de la plataforma. Sin embargo, el resto de la resina en el hueco expuesto a la luz UV se está curando. Para comprender 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 UV de una resina determinada, se puede utilizar la Fotocalorimetría Diferencial (dada por un Foto-DSC) equipado con una fuente de luz UV.

Cómo funciona un Photo-DSC

En su artículo "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", Philip Obstet al. [1] se propusieron demostrar que el grado de reticulación térmica de una resina de dos componentes viene determinado por la reacción de reticulación precedente durante la fotopolimerización [1].

El estudio realizado en colaboración con NETZSCH Analyzing & Testing utiliza un Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® con una extensión de luz UV OmniCure^® S2000 SC y analiza una resina de poliuretano rígida.

La resina es un sistema 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 dual que se cura inicialmente con luz UV durante el proceso de impresión 3D. Posteriormente, se cura a temperaturas elevadas en un horno para mejorar aún más las propiedades mecánicas y la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica del componente. Ambos pasos pueden investigarse con el NETZSCH Photo-DSC, en el que la fuente de luz UV puede programarse libremente en combinación con rampas de temperatura y segmentos isotérmicos. La luz UV es emitida por una lámpara de mercurio corta de 200 W arc contenida en el DSC y enviada a través de fibras ópticas y lentes a la cámara de medidas tanto sobre la muestra como sobre el plato vacío. Se utiliza un mecanismo de iris giratorio para permitir ajustes precisos de los tiempos de exposición, así como de las intensidades de luz directamente en el softwareNETZSCH Proteus^®. El sistema Omnicure ofrece además un amplio espectro de salida, que puede adaptarse con filtros limitadores de banda si se necesitan longitudes de onda específicas para una aplicación.

Cómo medir el curado UV y térmico con un NETZSCH Photo-DSC

Aunque el estudio completo puede consultarse aquí, se presentará aquí un ejemplo de medición que incluye el análisis.

Para los experimentos realizados se utilizó el espectro completo del instrumento OmniCure^®. Debido a la distancia constante de 20 mm entre la salida de luz y la muestra, se produce una pérdida de intensidad. Por lo tanto, se utiliza un factor de conversión para ajustar la pérdida. Para alcanzar la intensidad luminosa de unos 9 ^mW/cm2 que se produce en la impresora 3D, se utilizó un ajuste de 0,5 ^W/cm2 en el software.

Para cada medición, la exposición UV se realiza a 30 °C durante un segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico de 5 minutos. A continuación, la muestra se calienta a 120°C utilizando una velocidad de calentamiento de 3 K/min y se mantiene constante durante 10 minutos para garantizar que se ha completado 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, antes de volver a enfriarla a 30°C.

Todas las condiciones de medición se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 1: Condiciones de medición

En la figura 1, se muestra el resultado 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 UV y el posterior 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 térmico. Al principio del segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico, la muestra se expone durante 6,8 s y la entalpía exotérmica resultante se mide en 78,4 J/g. Durante el siguiente paso de calentamiento, se produce 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 térmico de la muestra, que ya ha finalizado cuando se alcanza la temperatura final de 120°C.

Esto puede observarse mejor en la Figura 2, donde se resalta la desviación de la línea de base. Puede verse que la entalpía exotérmica debida al curado térmico es de 20,89 J/g.

Durante la exposición UV, es necesario corregir la energía medida generada por la luz pura. Por este motivo, se repite el paso de exposición UV en la muestra de resina totalmente curada y se mide el aumento de entalpía. El resultado se muestra en la figura 3. La curva azul muestra la medición inicial (véase la figura 1) y la curva negra muestra la entalpía de la exposición UV de la resina totalmente curada. Utilizando la función de sustracción del Proteus^® del software, se calcula la entalpía corregida y se visualiza como la curva verde. La entalpía exotérmica tras la corrección es de 70,29 J/g.

El equilibrio es importante

Este ejemplo muestra que con un tiempo de exposición de 6,8 s, la mayor parte del curado se produce durante la exposición UV en comparación con el curado térmico (21 J/g). Se puede observar que la combinación de una funcionalidad Photo-DSC y DSC convencional es capaz de analizar sistemas de materiales tan complejos. El estudio completo muestra que los tiempos de exposición más bajos cambian esta relación en la dirección opuesta: a una duración de exposición baja, la mayoría de los enlaces cruzados se forman durante el paso de curado térmico.

Los autores combinaron estos resultados con ensayos mecánicos de las muestras y pudieron concluir lo siguiente: cuanto más curado se produce debido a la exposición a la luz UV, más resistentes son las piezas resultantes (véase la figura 4).

Esto indica que la reticulación térmica depende de la red formada previamente durante la exposición UV. Sin embargo, los autores también descubrieron que si la cantidad de reticulaciones procedentes del curado térmico es demasiado baja, puede producirse fragilización y, por tanto, también puede reducirse el rendimiento mecánico. El estudio completo puede leerse aquí

Fuente y afiliaciones

1] Obst, P^.a, Riedelbauch, J^.a, Oehlmann, P^.a, Rietzel, D^.a, Launhardt, M^.c, Schmölzer, S^.d, Osswald, T.A^.e y Witt, G^.b (2020): Investigación de la influencia del tiempo de exposición en la reacción de curado dual de RPU 70 durante el proceso DLS y las propiedades mecánicas resultantes de la pieza. Additive Manufacturing Volumen 32. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101002

^{aGrupo BMW}, Centro de Fabricación Aditiva, Múnich, Alemania, ^bInstitutode Ingeniería de Producción, Universidad de Duisburgo - Essen, Duisburgo, Alemania, ^cInstitutode Tecnología de Polímeros, Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Alemania, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, Selb, Alemania, ^ePolymerEngineering Center, Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706 EE.UU

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