Bevonatok és 3D-nyomtatott alkatrészek hatékony utó-keményítése DMA segítségével

Általános

Az UV-hőkezelő rendszerek gyors feldolgozhatóságuk, precíz alkalmazásuk és sokoldalúságuk miatt számos iparágban és alkalmazásban helyet kaptak. A legfontosabb alkalmazások közül néhány a mai napig a következő:

• Nyomdaipar: Az UV-keményítő festékeket és festékeket széles körben használják a nyomdaiparban. Lehetővé teszik a festékek gyors száradását és kikeményedését papíron, kartonokon, műanyagokon és más nyomdai hordozókon, ami növeli a gyártási sebességet.
• Fafeldolgozás: Az UV-keményedő bevonatokat a fafeldolgozásban használják, különösen a bútorok, padlóburkolatok, bútorfelületek és -felületek, valamint a fadekoráció esetében. Gyors kikeményedést és magas felületi minőséget biztosítanak.
• Autóipar: Az UV-keményedő festékeket és bevonatokat az autóiparban műanyag alkatrészek, belső alkatrészek és műszerfalak festésére használják. Gyors kikeményedést és magas felületi minőséget biztosítanak.
• Elektronika: Az elektronikai iparban nyomtatott áramköri lapok, kijelzők, házak, kapcsolók és egyéb elektronikus alkatrészek gyártásához UV-hőre keményedő anyagokat használnak. Pontos adagolást és alkalmazást kínálnak, és gyors gyártást tesznek lehetővé.
• Orvostechnika: Az UV-keményítő anyagokat orvosi eszközök, fogászati termékek, ortopédiai eszközök és egyéb orvosi alkalmazások gyártásában használják. Nagy pontosságot és biokompatibilis tulajdonságokat kínálnak.
• Optika és szemüveg: Az UV-keményítő anyagokat szemüveglencsék, kontaktlencsék és optikai bevonatok készítéséhez használják. Gyors keményedést, nagyfokú átlátszóságot és karcállóságot biztosítanak.
• Repülőgépipar: Az UV-keményedő bevonatokat a repülőgépiparban alkalmazzák alkatrészekhez, házakhoz és felületi alkalmazásokhoz. Könnyű súlyt, tartósságot és gyors keményedést biztosítanak.
• Élelmiszer-csomagolás: Az UV-keményedő bevonatokat az élelmiszer-csomagolóiparban használják a csomagolóanyagok védelmére, a tartósság javítására és a nedvesség behatolásának csökkentésére.

E hagyományos területeken kívül az Additív gyártásban is széles körben alkalmazzák már évek óta. Az UV-keményedő gyanták képezik a Vat fotopolimerizációs és az Material Jetting eljárások alapját, és a Binder Jettingben is alkalmazzák őket. A gyors keményedés tulajdonságai itt is relevánsak a 3D-nyomtatás sebessége szempontjából; a pontosság és a finomság a felbontás és az elérhető rétegvastagság szempontjából; a formulák széles választéka pedig az anyagtulajdonságok és anyagok szinte végtelen kombinációját teszi lehetővé.

Egyes alkalmazásokban a tinták, bevonatok és 3D-nyomtatott alkatrészek tulajdonságai még tovább javíthatók az UV-keményítést követő, magasabb hőmérsékleten történő keményítéssel. Ez néha hasznos a kikeményedési mélység szabályozására vagy a tulajdonságok javítására:

• A bevonat vagy a nyomtatási film vastagsága: Az UV-keményedő anyagok vastag rétegei esetében előfordulhat, hogy az UV-fény nem hatol be eléggé a teljes keményedés biztosításához. A teljes vastagságban történő teljes kikeményedés eléréséhez termikus utóérlelésre van szükség.
• Az anyag összetétele és a térhálósodás mértéke: Egyes anyagoknál a megfelelő térhálósodás és polimerizáció eléréséhez termikus utóérlelésre van szükség. Az utóhegesztés segít a befejezetlen reakciók befejezésében és az anyag stabilitásának javításában.
• Az anyagtulajdonságok optimalizálása. Az UV-keményítés és a termikus utóérlelés kombinációja lehetővé teszi az olyan speciális anyagtulajdonságok optimalizálását, mint a keménység, a rugalmasság, az ütésállóság és a kémiai ellenállás.

A mechanikai tulajdonságok tekintetében a termikus utóregenerálás optimalizálására jó módszer a dinamikus mechanikai elemzés (DMA). A DMA az anyagok viselkedését elemzi különböző hőmérsékleteken, frekvenciákon és terheléseken. A következő példában az idő, a költségek és a teljesítmény szempontjából ideális utókezelési hőmérséklet meghatározására használták.

Mérési paraméterek és mérési eredmények

A gyantarendszert az EZD fejlesztette ki tintaként vagy bevonatként, illetve additív gyártásban való felhasználásra. A mintákat az EZD-SKZ-nél 3D-nyomtatással állították elő, és DMA 303 Eplexor^® készülékkel elemezték. A legfontosabb paramétereket az alábbi táblázatban foglaltuk össze.

Táblázat: A vizsgált minta paraméterei

A hőmérséklet hatására történő kikeményedési viselkedés és a mechanikai viselkedés kezdeti értékeléséhez DMA-mérést végeztünk 100°C és 200°C között, 2 K/perc fűtési sebességgel. Lehűlés után ezt a ciklust még 2 alkalommal megismételtük ugyanazon a mintán. Az eredményeket az 1. ábra mutatja. Látható, hogy szobahőmérséklet feletti hőmérsékleten különbség mutatkozik a tárolási modulusban. A merevség növekszik a melegítés növekedésével. Ezenkívül az üvegesedési átmenet magasabb hőmérsékletre tolódik.

Az új gyantarendszer ideális kikeményedési hőmérsékletének meghatározásához a mintákat 5 K/perc sebességgel szobahőmérsékletről 180°C, 200°C, 210°C és 220°C célhőmérsékletre melegítettük, majd a hőmérséklet elérését követően 5 órán át izotermikusan tartottuk, hogy elemezzük a tárolási modulus esetleges növekedését a tartási idő alatt; lásd a 2. ábrát.

Látható, hogy a hőmérséklet növelésével egyre magasabb modulusértékek érhetők el, és hogy a növekedés magasabb hőmérsékleten gyorsabban megy végbe. Csak 220°C-on jelentkezik negatív hatás. A modulusérték kezdeti növekedését követően a teljes mérési idő kb. 80 perc elteltével csökkenni kezd, ami az anyag ridegségét jelzi. Így 220°C-on már anyagkárosodás következik be.

A 300 perc után elérhető modulusértékek a hőmérséklettel való jelentős növekedést mutatják. Ez a különbség azonban 200°C és 210°C között már nem olyan nagy large.

Az üvegesedési átmenetre gyakorolt hatás értékeléséhez ezután az összes izotermikusan tartott mintát dinamikusan melegítettük -100°C-ról 200°C-ra 2 K/perc fűtési sebességgel (3. ábra).

Annak érdekében, hogy az üvegesedési átmenetre gyakorolt hatást értékelni lehessen, az izotermikusan tartott mintákat dinamikusan -100°C-ról 200°C-ra melegítették 2 K/perc fűtési sebességgel. A modulusértékek közötti különbség már a mérés kezdetén, -100°C-on felismerhető. Az is jól látható, hogy a 220°C-on sérült minta modulusértéke nem különbözik a 180°C-on kikeményített minta modulusértékétől. A tan d csúcsa, amely az anyag üvegesedési átmenetének (_Tg) felel meg, a tartási hőmérséklet növekedésével magasabb értékek felé tolódik el. Az is látható azonban, hogy a 200°C-on történő utókeményítést követően a különbségek kevésbé meredeken nőnek.

Az eredmények azt mutatják, hogy a legmagasabb modulusérték és _Tg érték 210°C-os keményítési hőmérsékleten érhető el.

A keretfeltételektől függően most különböző optimalizálási döntések vezethetők le:

1. A 201 MPa maximális modulus eléréséhez 210°C-on 300°C-on kell a keményítést elvégezni.
2. Ha például 150 MPa modulusérték elegendő, akkor ezt 200°C-on 160 perc után, 210°C-on pedig 70 perc után érjük el. A kemence technológiájától függően feltételezhető, hogy energiatakarékosabb (+ idő és költségek), ha 210°C-on 90 perccel rövidebb idő alatt érjük el ugyanazt az eredményt.
3. Ha egy bizonyos üvegesedési értékre van szükség, pl. > 150°C, akkor a 200°C-os kikeményítési hőmérséklet már elegendő lehet. További IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus tartási időt kell alkalmazni annak ellenőrzésére, hogy ugyanaz a _Tg érték magasabb hőmérsékleten is gyorsabban elérhető-e

Összefoglaló

Ez a példa azt hivatott bemutatni, hogy a teljesítmény (modulus vagy _Tg), az idő, a költség vagy az energiahatékonyság célértékétől függően általában néhány DMA-mérés elegendő az eredménytartomány leszűkítéséhez, majd a célértékek elérését egy-két megerősítő méréssel lehet ellenőrizni.

Ezért a DMA felhasználható az UV-keményítő festékek, bevonatok és 3D-nyomtató gyanták termikus keményítésének optimalizálására. A célértéktől függően más módszerek, például az UV-DSC, a Kinexus rotációs reométeren történő UV-kapcsolás vagy az UV-DEA is alkalmazható az UV-keményedés optimalizálására.