Johdanto
Fotopolymeerit ovat valoherkkiä materiaaleja, jotka polymerisoituvat valolle altistuessaan ja muuttavat nestemäiset monomeerit tai oligomeerit kiinteiksi, toiminnallisiksi verkoiksi. Additiivisessa valmistuksessa (AM), mukaan lukien monifotonilitografia ja fuusiosuihkutus (FJ) [1], akrylaattivalopolymeerien kovettumiskäyttäytymiseen vaikuttavat voimakkaasti sekä UV-valon voimakkuus että lämpötila. AM-menetelmässä materiaalin Kovettuminen (ristisilloitusreaktiot)Kirjaimellisesti käännettynä termi "crosslinking" tarkoittaa "ristiverkostoitumista". Kemiallisessa yhteydessä sitä käytetään reaktioista, joissa molekyylit yhdistetään toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla ja muodostetaan kolmiulotteisia verkkoja.kovettuminen tapahtuu kerros kerrokselta tyypillisten kerrospaksuuksien ollessa noin 50-100 μm [2,3], jolloin materiaali lämpenee itsestään eksotermisen kovettumisreaktion vuoksi.
Tämän tutkimuksen tavoitteena on tutkia diakrylaatti-fotopolymeerikerrosten lämpökäyttäytymistä vaihtelevissa isotermisissä olosuhteissa ja UV-valon intensiteetissä käyttäen NETZSCH dielektristä analyysiä kokeelliseen seurantaan sekä Kinetics Neo [5] ja Termica Neo [6] -ohjelmistoja kineettiseen analyysiin, lämpösimulointiin ja hotspottien tunnistamiseen.
Mittausolosuhteet
DEA-mittaukset suoritettiin NETZSCH DEA-laitteistolla taulukossa 1 luetelluissa mittausolosuhteissa. Saadut DEA-käyrät ovat kineettisen analyysin perustana.
Kuvassa 1 esitetään dielektrisen analyysin (DEA) laitteemme, jonka avulla voidaan mitata paikan päällä erilaisten reaktiivisten materiaalien kovettumiskäyttäytymistä. Useat anturit mahdollistavat lämpötilan ja ioniviskositeetin tarkan mittauksen, mikä takaa optimaalisen suorituskyvyn ja laadun.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Laite | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Materiaali | Fotopolymeeridiakrylaatit (UV DLP Firm) |
| IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.Isoterminen lämpötila/°C | 30, 90 ja 150 |
UV-intensiteetit 30°C:ssa/mW/cm² | 36, 75, 150 ja 300 |
| Säteilyaika/min | 10 |
| Anturi | IDEX-anturi |
| Taajuus/Hz | 10 |
Kineettinen analyysi
Kinetics Neo ohjelmistoa käytetään yhtenäisen mallin luomiseen eri lämpötiloille ja UV-valon intensiteetille, kun intensiteetti on I0 = 75 mW/cm². Yksityiskohtaisia tietoja kovettumisen kineettisestä mallintamisesta eri UV-intensiteeteillä on osassa 1[4].
Kuvassa 2 esitetään lämpötilan ja UV-intensiteetin vaikutukset fotopolymeeridiakrylaattien kovettumiskäyttäytymiseen DEA:lla (dielektrinen analyysi) mitattuna. Yhteinen kineettinen malli luotiin käyttämällä Kinetics Neo ohjelmistoa. Rombisymbolit edustavat kokeellisia tietoja, ja yhtenäiset viivat vastaavat sovitettuja käyröitä. Taulukossa 2 esitetään yksityiskohtaisesti DEA:n mittauksiin perustuvat kinetiikan parametrit.
Taulukko 2: DEA:n mittauksiin perustuvat fotopolymeeriakrylaattien kineettiset parametrit
| Reaktiovaihe | A → B |
|---|---|
| Reaktiotyyppi | Cnm |
| Aktivoitumisenergia [kJ/mol} | 5.174 |
| Log (esieksponentiaalikerroin) [Log (1/s)] | -1.793 |
| Reaktiojärjestys | 1.724 |
| Log (Autocat esieksponentiaalikerroin [Log(1/s)]) | 1.629 |
| AutcatPower mf | 1.136 |
| nUV Light | 0.619 |
| I0 [mW/cm²] | 75 |
| Määrityskerroin (R²) | 0.996 |
Cnm: N:nnen kertaluvun reaktio m-tehoisella autokatalyysillä
Termica Neo Software: Simulaatio
EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.Eksoterminen kovettumisprosessi aiheuttaa materiaalin itselämmityksen, mikä johtaa sisäisten lämpötilagradienttien muodostumiseen. Tässä työssä simuloimme DSC-mittauksiemme perusteella äärettömänä laattageometriana mallinnettujen diakrylaattivalopolymeerikerrosten lämpökovettumiskäyttäytymistä, kun niiden paksuudet ovat 100 μm ja 300 μm ja kun niiden entalpia on 301 J/g. AM-prosessien simuloinnissa reaktiivinen kerros on sijoitettu 10 cm:n paksun polymeerilohkon yläpuolelle, jonka alapuolella on kontrolloitu 25 °C:n lämpötila. Ympäröivät lämpötilat tämän reaktiivisen kerroksen yläpinnalla ovat 90 °C ja 150 °C UV-altistuksessa, jonka intensiteetti on 75 mW/cm2. Simulaatio osoittaa, miten lämpötila muuttuu ajan myötä kerroksissa kovettumisprosessin aikana.
Kuvissa 3 (a) ja 3 (b) esitetään lämpötilan kehittymisen simulointi kolmen minuutin aikana kovettumisprosessin aikana 100-μm:n ja 300-μm:n kerroksille. Molemmat kerrokset saavuttavat huippulämpötilansa suunnilleen samaan aikaan (0,7 minuuttia): 90.100-μm:n kerroksessa 4 °C ja 300-μm:n kerroksessa 92,4 °C, kun x = 100 %, mikä vastaa täyttä vertailupaksuutta ylimmässä pintakerroksessa. Korkeampi lämpötila paksummassa kerroksessa viittaa heikentyneeseen lämmönhukkaan. Paksuissa kerroksissa EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen reaktio vapauttaa sisäisesti enemmän kertynyttä entalpiaa, mikä johtaa itselämpenemiseen ja korkeampaan lämpötilaan kuin ohuissa kerroksissa.
(a) ja 300 μm
(b) samassa 90 °C:n lämpötilassa ja intensiteetillä 75 mW/cm².
Kuvissa 4 (a) ja 4 (b) esitetään simuloidut lämpötilaprofiilit kolmen minuutin kovetussyklin aikana 100-μm:n kerrokselle eri isotermisissä olosuhteissa, jotka ovat 50 °C ja 150 °C. Molemmissa kerroksissa huippulämpötila nousi noin 0,35 °C 100-μm:n kerroksessa. Eri isotermisissä olosuhteissa 50 °C:ssa ja 150 °C:ssa suurin ero oli ajassa, joka kului huippulämpötilan saavuttamiseen, kun x=100 %, joka vastaa täyttä vertailupaksuutta pintakerroksen yläosassa: 150 °C:ssa se tapahtui nopeammin, 0,6 minuutissa, kun taas 50 °C:ssa siihen kului 1,1 minuuttia.
(a) ja 150°C
(b) samalla kerrospaksuudella 100 μm ja intensiteetillä 75 mW/cm².
Kuvassa 5 (a) on simuloitu lämpötilan kehittyminen kolmen minuutin aikana 300-μm:n kerroksen kovettumisprosessin aikana 150 °C:ssa. Huippulämpötila nousi noin 2,6 °C tämän kerroksen osalta, kun x = 100 %, joka vastaa sen yläpintaa.
Kuvassa 5 (b) esitetään 3D-pintakuvaaja, joka kuvaa lämpötilaa sekä kerroksen syvyyden että ajan funktiona. Kuvassa 5 (c) esitetään 3D-lämpökartta, jossa näkyy lämpötilan alueellinen vaihtelu kerroksen sisällä ajan funktiona. Näiden visualisointien avulla voidaan nopeasti tunnistaa lämpökeskittymät.
a) Lämpötilaprofiilit kerroksessa eri pystysuuntaisissa asennoissa kovettumisen aikana
b) 3D-pintakuvaus lämpötilan kehityksestä kerroksessa koordinaatin ja ajan funktiona
c) 3D-lämpökartta lämpötilan kehityksestä kerroksessa.
Päätelmä
Dielektrinen analyysi (DEA) on tehokas väline UV-fotopolymeerien valvontaan. Sitä voidaan käyttää laboratorion lisäksi myös suoraan tuotantolinjalla. Kun se yhdistetään Kinetics Neo ohjelmistoon, DEA:n mittausten avulla voidaan todistetusti määrittää tehokkaasti kineettiset parametrit, jotka ovat sekä lämpötilan että UV-intensiteetin funktio. Termica Neo -ohjelmisto tuo merkittävää lisäarvoa simuloimalla fotopolymeerikerrosten lämpökäyttäytymistä, ennustamalla lämpötilan kehittymistä, tunnistamalla mahdollisia kuumia kohtia ja mahdollistamalla kerrospaksuuden ja kovettumisolosuhteiden optimoinnin.
Lämpösimuloinnin edut
Terminen turvallisuus ja luotettavuus: Simuloi lämpötilan kehittymistä eri kerrospaksuuksissa ylikuumenemisen tai epätasaisen kovettumisen estämiseksi.
Hotspot-tunnistus: Havaitse lämpökeskittymät 3D-lämpötilaprofiilien ja lämpökarttojen avulla.
Aika- ja kustannustehokkuus: Vähennä virhekokeita ja minimoi materiaalihävikki.
Sovellusohje: Osa 1
Lisätietoja: Kinetics Neo ja DEA:n avulla osa 1: Fotopolymeerin kovettumisen kineettinen analyysi vaihtelevilla UV-valon intensiteeteillä