Simulation thermique et identification des points chauds dans les couches de photopolymère à l'aide du logiciel Termica Neo, partie 2

Introduction

Les photopolymères sont des matériaux sensibles à la lumière qui se polymérisent sous l'effet de la lumière, transformant des monomères ou des oligomères liquides en réseaux solides et fonctionnels. Dans les processus de fabrication additive (AM), y compris la lithographie multiphotonique et le jet de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion (FJ) [1], le comportement de polymérisation des photopolymères acryliques est fortement influencé par l'intensité de la lumière UV et la température. En AM, le Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement du matériau se fait couche par couche avec des épaisseurs de couche typiques d'environ 50 à 100 μm [2,3], où le matériau subit un auto-échauffement en raison de la réaction de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique.

L'objectif de cette étude est d'étudier le comportement thermique des couches de photopolymères diacrylates dans des conditions isothermes et des intensités de lumière UV variables, en utilisant l'analyse diélectrique NETZSCH pour le suivi expérimental, ainsi que l'analyse diélectrique Termica Neo [4] et l'analyse diélectrique Termica Neo [5] Kinetics Neo [5] et Termica Neo [6] pour l'analyse cinétique, la simulation thermique et l'identification des points chauds.

Conditions de mesure

Les mesures DEA ont été effectuées à l'aide de l'instrumentation DEA NETZSCH dans les conditions de mesure énumérées dans le tableau 1. Les courbes DEA obtenues constituent la base de l'analyse cinétique.

La figure 1 montre notre instrument d'analyse diélectrique (DEA), qui permet de mesurer in situ le comportement de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement de divers matériaux réactifs. De multiples capteurs permettent une mesure précise de la température et de la Viscosité ioniqueLa viscosité ionique est la valeur réciproque de la conductivité ionique, qui est calculée à partir du facteur de perte diélectrique.viscosité ionique, garantissant une performance et une qualité optimales.

Tableau 1 : Conditions de mesure

Analyse cinétique

Kinetics Neo est utilisé pour créer un modèle unifié pour différentes températures et intensités de lumière UV avec une intensité de I0 = 75 mW/cm². Des informations détaillées sur la modélisation cinétique du Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement sous différentes intensités d'UV figurent dans la partie 1[4].

La figure 2 illustre les effets de la température et de l'intensité UV sur le comportement de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement des diacrylates photopolymères, mesuré par DEA (analyse diélectrique). Un modèle cinétique commun a été créé à l'aide du logiciel Kinetics Neo logiciel. Les symboles en losange représentent les données expérimentales et les lignes pleines correspondent aux courbes ajustées. Le tableau 2 détaille les paramètres cinétiques basés sur les mesures DEA.

Tableau 2 : Paramètres cinétiques des acrylates photopolymères basés sur les mesures de la DEA

Cnm : Réaction d'ordre ⁿ avec autocatalyse de puissance m

Logiciel Termica Neo : Simulation

Le processus de durcissement ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique induit un auto-échauffement à l'intérieur du matériau, ce qui entraîne la formation de gradients de température internes. Dans ce travail, nous simulons le comportement de durcissement thermique de couches de photopolymères diacrylates modélisées comme une géométrie de dalle infinie, avec des épaisseurs de 100 μm et 300 μm, et avec une enthalpie de 301 J/g à partir de nos mesures DSC. Dans la simulation des processus AM, la couche réactive est placée au-dessus d'un bloc de polymère épais de 10 cm avec une température contrôlée de 25°C sous ce bloc. Les températures environnantes à la surface supérieure de cette couche réactive sont de 90°C et 150°C sous exposition aux UV avec une intensité donnée de 75 ^mW/cm2. La simulation montre comment la température évolue dans les couches au cours du processus de durcissement.

Les figures 3 (a) et 3 (b) présentent la simulation de l'évolution de la température sur trois minutes pendant le processus de durcissement pour des couches de 100-μm et 300-μm. Les deux couches atteignent leur température maximale à peu près au même moment (0,7 minute) : 90.4°C pour la couche de 100-μm et 92,4°C pour la couche de 300-μm pour x=100%, ce qui correspond à la pleine épaisseur de référence au niveau de la couche de surface supérieure. La température plus élevée dans la couche plus épaisse indique une dissipation thermique réduite. Dans les couches épaisses, la réaction ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique libère davantage d'enthalpie accumulée en interne, ce qui entraîne un auto-échauffement et une température plus élevée que dans les couches minces.

Les figures 4 (a) et 4 (b) montrent les profils de température simulés sur un cycle de durcissement de trois minutes pour une couche de 100-μm dans différentes conditions isothermes de 50°C et 150°C. Pour les deux couches, la température maximale a augmenté d'environ 0,35°C pour une couche de 100-μm. Dans les différentes conditions isothermes de 50°C et 150°C, la principale différence réside dans le temps nécessaire pour atteindre la température maximale pour x=100%, qui correspond à l'épaisseur de référence totale de la couche de surface supérieure : à 150°C, ce temps est plus court, à savoir 0,6 minute, tandis qu'à 50°C, il est de 1,1 minute.

La figure 5 (a) montre la simulation de l'évolution de la température sur trois minutes pendant le processus de durcissement d'une couche de 300-μm à 150°C. La température maximale a augmenté d'environ 2,6°C pour cette couche pour x=100%, ce qui correspond à sa surface supérieure.

La figure 5 (b) présente un tracé de surface en 3D illustrant la température en fonction de la profondeur de la couche et du temps. La figure 5 (c) représente une carte thermique en 3D montrant la variation spatiale de la température à travers la couche au fil du temps. Ces visualisations permettent d'identifier rapidement les points chauds thermiques.

Conclusion

L'analyse diélectrique (DEA) est un outil efficace pour contrôler les photopolymères UV. Elle peut être utilisée non seulement en laboratoire, mais aussi directement sur la ligne de production. Combinées au logiciel Kinetics Neo il a été prouvé que les mesures DEA permettent de déterminer efficacement les paramètres cinétiques qui sont fonction à la fois de la température et de l'intensité des UV. Le logiciel Termica Neo apporte une valeur ajoutée significative en simulant le comportement thermique des couches de photopolymères, en prédisant l'évolution de la température, en identifiant les points chauds potentiels et en permettant l'optimisation de l'épaisseur des couches et des conditions de durcissement.

Avantages de la simulation thermique

Sécurité thermique et fiabilité : Simulation de l'évolution de la température dans différentes épaisseurs de couche afin d'éviter une surchauffe ou un durcissement inégal.

Identification des points chauds : Détecter les points chauds à l'aide de profils de température en 3D et de cartes thermiques.

Efficacité en termes de temps et de coûts : Réduisez le nombre d'essais et d'erreurs et minimisez le gaspillage de matériaux.