통 광중합의 UV 노출 및 열 경화 조사

통 광중합 구성

빠른 프린팅에 최적화된 한 가지 흥미로운 구성은 전체 레이어의 마스크 투영과 빌드 플랫폼의 하향식 이동을 사용하는 것입니다. 즉, UV 레이저가 각 레이어의 모양을 픽셀 단위로 추적하는 것이 아니라 레이저 빔이 전체 레이어의 형상으로 형성되어 한 번에 모두 노출됩니다. 동시에 하향식 접근 방식은 빌드 플랫폼이 레진에 잠기고 창을 통해 아래쪽에서 자외선 투사가 이루어짐을 의미합니다. 각 레이어마다 플랫폼이 한 레이어 높이씩 위로 이동하고 이 과정을 반복합니다. 창과 빌드 플랫폼의 틈새 또는 파트의 이전 레이어 사이의 레이어가 경화되면 파트가 창에 접착되어 상향 이동에 영향을 미칠 수 있습니다. 프로세스 원리는 여기에 설명되어 있습니다.

따라서 디지털 광합성(DLS)이라고도 하는 한 가지 변형에서는 창이 실제로 산소 투과성 멤브레인입니다. 이를 통해 창을 통해 레진 갭으로 산소가 확산될 수 있습니다. 모든 확산 과정과 마찬가지로 농도 변화는 시간에 따라 달라지며 레진과 윈도우의 경계면에서는 산소 포화도가 높아지고 레진 위쪽으로는 농도가 낮아집니다. 이 효과는 산소에 의해 반응이 억제되는 산소에 민감한 수지와 함께 사용됩니다. 대표적인 예로 아크릴레이트를 들 수 있습니다.

이 효과로 인해 수지는 창과의 인터페이스에서 액체 상태로 유지되며 플랫폼이 위로 이동하는 동안 쉽게 방출될 수 있습니다. 그러나 자외선에 노출되는 틈새에 있는 나머지 수지는 경화됩니다. 특정 수지의 UV 경화 거동을 이해하기 위해 UV 광원이 장착된 차등 광열량 측정기(Photo-DSC)를 사용할 수 있습니다.

Photo-DSC 작동 방식

Philip Obstet 등[1]은 "DLS 공정 중 RPU 70의 이중 경화 반응에 대한 노출 시간의 영향과 그에 따른 기계적 부품 특성 조사" 논문에서 2성분 수지의 열 가교 정도가 광중합 중 선행 가교 반응에 의해 결정된다는 것을 보여주었습니다[1].

NETZSCH 분석 및 테스트와 공동으로 수행한 이 연구는 OmniCure^® S2000 SC 자외선 확장 기능이 있는 Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® 를 사용하여 경질 폴리우레탄 수지를 분석했습니다.

이 수지는 3D 프린팅 공정 중 처음에 자외선으로 경화되는 이중 경화 시스템입니다. 이후에는 부품의 기계적 특성과 열 안정성을 더욱 향상시키기 위해 용광로에서 고온으로 경화합니다. 두 단계 모두 온도 램프 및 등온 세그먼트와 함께 UV 광원을 자유롭게 프로그래밍할 수 있는 NETZSCH Photo-DSC로 조사할 수 있습니다. 자외선은 DSC에 포함된 200W 수은 단파장 arc 램프에서 방출되어 광섬유와 렌즈를 통해 측정 챔버로 시료와 빈 팬 모두로 전송됩니다. 회전 조리개 메커니즘을 사용하여 NETZSCH Proteus^® 소프트웨어에서 직접 노출 시간과 빛의 강도를 정밀하게 설정할 수 있습니다. Omnicure 시스템은 또한 넓은 출력 스펙트럼을 제공하며, 애플리케이션에 특정 파장이 필요한 경우 대역 제한 필터로 조정할 수 있습니다.

NETZSCH Photo-DSC로 UV 및 열 경화 측정하는 방법

전체 연구는 여기에서 확인할 수 있지만, 여기서는 분석을 포함한 한 가지 측정 예시를 소개합니다.

수행된 실험에는 OmniCure^® 기기의 전체 스펙트럼이 사용되었습니다. 광 출력과 샘플 사이의 거리가 20mm로 일정하기 때문에 강도 손실이 발생합니다. 따라서 손실을 조정하기 위해 변환 계수를 사용했습니다. 3D 프린터에서 발생하는 약 ^9mW/cm2의 광도를 달성하기 위해 소프트웨어에서 0.^5W/cm2의 설정을 사용했습니다.

각 측정에 대해 5분 동안 등온 세그먼트 동안 30°C에서 UV 노출을 수행합니다. 그런 다음 3K/min의 가열 속도로 샘플을 120°C까지 가열하고 경화가 완료될 때까지 10분 동안 일정하게 유지한 후 다시 30°C로 냉각합니다.

모든 측정 조건은 다음 표에 요약되어 있습니다:

표 1: 측정 조건

그림 1에는 UV 경화 및 후속 열 경화 결과가 나와 있습니다. 등온 세그먼트가 시작될 때 샘플은 6.8초 동안 노출되고 그 결과 발열 엔탈피는 78.4J/g으로 측정됩니다. 다음 가열 단계에서 시료의 열 경화가 진행되며 최종 온도인 120°C에 도달하면 이미 경화가 완료됩니다.

이는 기준선과의 편차가 강조 표시된 그림 2에서 더 잘 관찰할 수 있습니다. 열 경화로 인한 발열 엔탈피가 20.89J/g임을 알 수 있습니다.

UV 노출 중에는 순수한 빛에 의해 생성된 측정된 에너지를 보정해야 합니다. 따라서 완전히 경화된 레진 샘플에 UV 노출 단계를 반복하고 엔탈피 증가를 측정합니다. 결과는 그림 3에 나와 있습니다. 파란색 곡선은 초기 측정값(그림 1 참조)을 나타내고 검은색 곡선은 완전히 경화된 수지의 UV 노출 엔탈피를 나타냅니다. 소프트웨어의 빼기 기능을 사용하여 Proteus^® 소프트웨어의 빼기 기능을 사용하면 보정된 엔탈피가 계산되어 녹색 곡선으로 시각화됩니다. 보정 후 발열 엔탈피는 70.29J/g입니다.

올바른 균형이 중요합니다

이 예는 노출 시간이 6.8초인 경우 열 경화(21 J/g)에 비해 대부분의 경화가 UV 노출 중에 발생한다는 것을 보여줍니다. Photo-DSC와 기존 DSC 기능의 조합으로 이러한 복잡한 재료 시스템을 분석할 수 있음을 알 수 있습니다. 전체 연구에 따르면 노출 시간이 짧으면 이 비율이 반대 방향으로 이동하여 노출 시간이 짧으면 대부분의 가교가 열 경화 단계에서 형성됩니다.

저자는 이러한 결과를 샘플에 대한 기계적 테스트와 결합하여 자외선 노출로 인해 경화가 더 많이 일어날수록 결과 부품이 더 강해진다는 결론을 내릴 수 있었습니다(그림 4 참조).

이는 열 가교가 자외선에 노출되는 동안 이전에 형성된 네트워크에 따라 달라진다는 것을 나타냅니다. 그러나 저자는 열 경화로 인한 가교 결합의 양이 너무 적으면 취성이 발생하여 기계적 성능도 저하될 수 있다는 사실도 발견했습니다. 전체 연구는 여기에서 확인할 수 있습니다!

출처 및 제휴사

1] Obst, P^.a, Riedelbauch, J^.a, Oehlmann, P.^a, Rietzel, D.^a, Launhardt, M^.c, Schmölzer, S^.d, Osswald, T.A.^e 및 Witt, G^.b (2020): DLS 공정 중 RPU 70의 이중 경화 반응 및 그에 따른 기계적 부품 특성에 대한 노출 시간의 영향에 대한 조사. 적층 제조 32권. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMW그룹, 적층 제조 센터, 독일 뮌헨, ^{b뒤스부르크}대학교 에센 생산 공학 ^연구소, 독일 뒤스부르크, ^c폴리머기술 ^연구소, 프리드리히 알렉산더 대학교 에를랑겐-뉘른베르크, 독일 에를랑겐, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, 셀브, 독일, ^{전자 고분자}공학 센터, 기계 공학부, 위스콘신-매디슨 대학교, 매디슨, WI 53706 미국

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