DMA optimointityökaluna kovettuvien pinnoitteiden ja 3D-tulostettujen komponenttien jälkikovettamisessa

UV-kovetusjärjestelmät ovat löytäneet paikkansa eri teollisuudenaloilla ja sovelluksissa niiden nopean käsiteltävyyden, täsmällisyyden ja monipuolisuuden ansiosta. Joitakin tärkeimpiä sovelluksia tähän mennessä ovat:

Painoteollisuus: UV-kovetteisia painovärejä ja maaleja käytetään laajalti painoteollisuudessa. Ne mahdollistavat painovärien nopean kuivumisen ja kovettumisen paperille, kartongille, muoville ja muille painatusalustoille, mikä lisää tuotantonopeutta.
Puunjalostus: UV-kovetteisia pinnoitteita käytetään puunjalostuksessa, erityisesti huonekaluissa, lattioissa, huonekalujen pinnoissa ja pinnoitteissa sekä puun sisustuksessa. Ne tarjoavat nopean kovettumisen ja korkean pinnanlaadun.
Autoteollisuus: UV-kovetteisia maaleja ja pinnoitteita käytetään autoteollisuudessa muoviosien, sisätilojen osien ja kojelautojen maalaamiseen. Ne tarjoavat nopean kovettumisen ja korkean pinnanlaadun.
Elektroniikka: UV-kovetteisia materiaaleja käytetään elektroniikkateollisuudessa painettujen piirilevyjen, näyttöjen, koteloiden, kytkimien ja muiden elektronisten komponenttien valmistuksessa. Ne tarjoavat tarkan annostelun ja levityksen ja mahdollistavat nopean tuotannon.
Lääketieteellinen tekniikka: UV-kovetteisia materiaaleja käytetään lääkinnällisten laitteiden, hammastuotteiden, ortopedisten laitteiden ja muiden lääketieteellisten sovellusten tuotannossa. Ne tarjoavat suurta tarkkuutta ja bioyhteensopivia ominaisuuksia.
Optiikka ja lasit: UV-kovetteisia materiaaleja käytetään silmälasilinsseissä, piilolinsseissä ja optisissa pinnoitteissa. Ne kovettuvat nopeasti, ovat erittäin läpinäkyviä ja kestävät naarmuja.
Ilmailu: UV-kovetteisia pinnoitteita käytetään ilmailu- ja avaruusteollisuudessa komponenteissa, koteloissa ja pintasovelluksissa. Ne ovat kevyitä, kestäviä ja nopeasti kovettuvia.
Elintarvikepakkaukset: UV-kovettuvia pinnoitteita käytetään elintarvikepakkausteollisuudessa suojaamaan pakkausmateriaaleja, parantamaan kestävyyttä ja vähentämään kosteuden tunkeutumista.

Näiden perinteisten alojen lisäksi niitä on käytetty laajalti additiivisessa valmistuksessa jo useiden vuosien ajan. UV-kovettuvat hartsit muodostavat perustan Vat Photopolymerization- ja Material Jetting -prosesseille, ja niitä käytetään myös Binder Jetting -prosessissa. Tässäkin tapauksessa nopean kovettumisen ominaisuudet ovat merkityksellisiä 3D-tulostusnopeuden kannalta, tarkkuus ja hienous ovat merkityksellisiä resoluution ja saavutettavissa olevan kerrospaksuuden kannalta, ja laaja formulointivalikoima mahdollistaa lähes rajattoman määrän materiaaliominaisuuksien ja materiaalien yhdistelmiä.

Joissakin sovelluksissa musteiden, pinnoitteiden ja 3D-tulostettujen osien ominaisuuksia voidaan jopa parantaa entisestään kovettamalla UV-kovettamisen jälkeen korkeammissa lämpötiloissa. Tämä on joskus hyödyllistä kovettumissyvyyden hallitsemiseksi tai ominaisuuksien parantamiseksi:

Pinnoitteen tai tulostekalvon paksuus: UV-kovetteisten materiaalien paksujen kerrosten kohdalla UV-valo ei välttämättä läpäise riittävästi, jotta täydellinen Kovettuminen (ristisilloitusreaktiot)Kirjaimellisesti käännettynä termi "crosslinking" tarkoittaa "ristiverkostoitumista". Kemiallisessa yhteydessä sitä käytetään reaktioista, joissa molekyylit yhdistetään toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla ja muodostetaan kolmiulotteisia verkkoja.kovettuminen olisi mahdollista. Terminen jälkikovetus on tarpeen, jotta saavutetaan täydellinen Kovettuminen (ristisilloitusreaktiot)Kirjaimellisesti käännettynä termi "crosslinking" tarkoittaa "ristiverkostoitumista". Kemiallisessa yhteydessä sitä käytetään reaktioista, joissa molekyylit yhdistetään toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla ja muodostetaan kolmiulotteisia verkkoja.kovettuminen koko paksuuden osalta.
Materiaalin koostumus ja ristisilloitusaste: Jotkin materiaalit vaativat termistä jälkihoitoa, jotta saavutetaan riittävä ristisilloittuminen ja polymeroituminen. Jälkihoito auttaa saattamaan keskeneräiset reaktiot loppuun ja parantaa materiaalin vakautta.
Materiaaliominaisuuksien optimointi. UV-kovettamisen ja termisen jälkikovettamisen yhdistelmä mahdollistaa materiaalin erityisominaisuuksien, kuten kovuuden, kimmoisuuden, iskunkestävyyden ja kemiallisen kestävyyden, optimoinnin.

3D-tulostin, joka luo yksityiskohtaisen, ristikkorakenteisen esineen ja esittelee kehittynyttä additiivista valmistustekniikkaa.

Dynaamis-mekaaninen analyysi termisen jälkikovettumisen optimoimiseksi mekaanisten ominaisuuksien suhteen

Dynaamis-mekaaninen analyysi (DMA) on hyvä menetelmä lämpökovettumisen jälkeisen jälkihoidon optimoimiseksi mekaanisten ominaisuuksien kannalta. DMA:ssa analysoidaan materiaalien käyttäytymistä eri lämpötiloissa, taajuuksilla ja rasituksilla. Seuraavassa esimerkissä sitä käytettiin ihanteellisen jälkikovetuslämpötilan määrittämiseen ajan, kustannusten ja suorituskyvyn kannalta.

EZD on kehittänyt hartsijärjestelmän käytettäväksi musteena tai pinnoitteena tai additiivisessa valmistuksessa.

Näytteet valmistettiin 3D-tulostamalla EZD-SKZ:ssä ja analysoitiin käyttäen DMA 303 Eplexor^®. Tärkeimmät parametrit on esitetty tiivistetysti seuraavassa taulukossa:

Näytteenpidin	3-pisteen taivutus. 30 mm:n joustavat tuet
Näytteen paksuus	noin 2 mm
Näytteen leveys	noin 10 mm
Max. dyn. voima	10 N
Dyn. amplitudi	50 µm
Taajuus	1 Hz

Kovettumiskäyttäytymisen ja mekaanisen käyttäytymisen alustavaa arviointia varten lämpötilan vaikutuksesta tehtiin DMA-mittaus 100 °C:sta 200 °C:seen lämmitysnopeudella 2 K/min. Jäähdytyksen jälkeen tämä sykli toistettiin vielä 2 kertaa samalle näytteelle. Tulokset on esitetty kuvassa 1. Voidaan nähdä, että varastointimoduulissa on eroa huoneenlämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa. Jäykkyys kasvaa lämmityksen kasvaessa. Lisäksi lasisiirtymä (tan d) siirtyy korkeampiin lämpötiloihin.

DMA-testien tulokset, jotka kuvaavat varastointimoduulia ja tan d:tä lämpötilavaihteluissa ja korostavat lasittumislämpötilan siirtymiä. — Kuva 1. DMA-mittaus 2 toistolla varastointimoduulin ja tan d:n analysoimiseksi lasittumislämpötilan määrittämiseksi.

Uuden hartsijärjestelmän ihanteellisen kovettumislämpötilan määrittämiseksi näytteitä lämmitettiin 5 K/min huoneenlämpötilasta tavoitelämpötiloihin 180 °C, 200 °C, 210 °C ja 220 °C ja pidettiin isotermisesti 5 tuntia lämpötilan saavuttamisen jälkeen, jotta varastointimoduulin mahdollinen kasvu varastointiaikana voitiin analysoida; katso kuva 2.

Isotermiset moduuliarvojen mittaukset lämpökovettumisen jälkeen 180 °C:ssa, 200 °C:ssa, 210 °C:ssa ja 220 °C:ssa. — Kuva 2. IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.Isoterminen mittaus eri näytteillä 180 °C:ssa, 200 °C:ssa, 210 °C:ssa ja 220 °C:ssa

Voidaan havaita, että lämpötilan noustessa voidaan saavuttaa yhä suurempia moduuliarvoja ja että kasvu tapahtuu nopeammin korkeammissa lämpötiloissa. Vasta 220 °C:n lämpötilassa ilmenee negatiivinen vaikutus. Moduuliarvon aluksi tapahtuneen nousun jälkeen se alkaa laskea noin 80 minuutin kokonaismittausajan jälkeen, mikä on osoitus materiaalin haurastumisesta. Näin ollen 220 °C:n lämpötilassa tapahtuu jo materiaalivaurioita.

Saavutettavissa olevat moduuliarvot 300 minuutin kuluttua osoittavat huomattavaa kasvua lämpötilan myötä. Tämä ero ei kuitenkaan ole enää niin suuri large 200 °C:n ja 210 °C:n välillä.

Jotta voidaan arvioida vaikutusta lasittumiseen, kaikkia isotermisesti säilytettyjä näytteitä lämmitetään dynaamisesti -100 °C:sta 200 °C:seen lämmitysnopeudella 2 K/min. Ero moduuliarvoissa voidaan nyt havaita jo mittauksen alussa -100 °C:ssa. On myös selvästi nähtävissä, että 220 °C:ssa vaurioituneen näytteen moduuliarvo ei eroa 180 °C:ssa kovettuneen näytteen arvosta. Materiaalin lasisiirtymää (_Tg) vastaava tan d -huippu siirtyy korkeampiin arvoihin säilytyslämpötilan kasvaessa. On kuitenkin havaittavissa, että erot kasvavat vähemmän jyrkästi, kun näytettä jälkikovetetaan 200 °C:ssa.

DMA-mittaustulokset, jotka osoittavat dynaamisen moduulin ja tan delta -kertoimen kovettumisen jälkeisille näytteille ja korostavat Tg:n määrittämistä eri lämpötiloissa. — Kuva 3. DMA-mittaus kovettumisen jälkeisistä näytteistä, muun muassa Tg:n määrittämiseksi (tan d -huippu)

Tulokset osoittavat, että korkein moduuliarvo ja _Tg saavutetaan kovettumislämpötilassa 210 °C.

Kehysolosuhteista riippuen voidaan nyt johtaa erilaisia optimointipäätöksiä:

Jotta saavutettaisiin suurin moduuliarvo 201 MPa, Kovettuminen (ristisilloitusreaktiot)Kirjaimellisesti käännettynä termi "crosslinking" tarkoittaa "ristiverkostoitumista". Kemiallisessa yhteydessä sitä käytetään reaktioista, joissa molekyylit yhdistetään toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla ja muodostetaan kolmiulotteisia verkkoja.kovettuminen on suoritettava 210 °C:ssa 300 minuutin ajan.
Jos esimerkiksi 150 MPa:n moduuliarvo on riittävä, se saavutetaan 200 °C:ssa 160 minuutin kuluttua ja 210 °C:ssa 70 minuutin kuluttua. Uunitekniikasta riippuen voidaan olettaa, että on energiatehokkaampaa (+aika ja kustannukset) saavuttaa samat tulokset 210 °C:n lämpötilassa 90 minuuttia lyhyemmässä ajassa.
Jos vaaditaan tietty lasittumisarvo, esim. > 150 °C, 200 °C:n kovettumislämpötila voi olla jo riittävä. Isotermisiä pitoaikoja olisi käytettävä edelleen sen tarkistamiseksi, voidaanko sama _Tg saavuttaa nopeammin myös korkeammissa lämpötiloissa.

Tämän esimerkin tarkoituksena on osoittaa, että suorituskyvyn tavoitearvosta (moduuli tai _Tg), ajasta, kustannuksista tai energiatehokkuudesta riippuen muutama DMA-mittaus riittää yleensä tulosalueen rajaamiseen ja tavoitearvojen saavuttamisen varmistamiseen 1-2 varmistusmittauksella.

Siksi DMA:ta voidaan käyttää UV-kovetteisten painovärien, pinnoitteiden ja 3D-tulostushartsien lämpökovettumisen optimointiin. Tavoitearvosta riippuen UV-kovettumisen optimointiin voidaan käyttää muita menetelmiä, kuten UV-DSC:tä, UV-kytkentää Kinexus-rotaatioreometrillä tai UV-DEA:ta.

Lisätietoja DMA 303:sta Eplexor^®

DMA 303 Eplexor^®

Lisää blogiartikkeleita aiheeseen Additive Manufacturing liittyen