Inleiding
Fotopolymeren zijn lichtgevoelige materialen die polymeriseren bij blootstelling aan licht, waarbij vloeibare monomeren of oligomeren worden omgezet in vaste, functionele netwerken. In processen voor additieve vervaardiging (AM), waaronder multiphoton lithografie en fusion jetting (FJ) [1], wordt het uithardingsgedrag van acrylaat fotopolymeren sterk beïnvloed door zowel de intensiteit van UV-licht als de temperatuur. In AM wordt materiaal laag voor laag uitgehard met typische laagdiktes rond 50 tot 100 μm [2,3], waarbij het materiaal zelfverhit raakt door exotherme uithardingsreactie.
Het doel van deze studie is om het thermische gedrag van diacrylaat fotopolymeerlagen te onderzoeken onder variërende isotherme omstandigheden en UV-lichtintensiteiten, met behulp van NETZSCH Diëlektrische analyse voor experimentele controle samen met de [5] en Termica Neo [6] Kinetics Neo [5] en Termica Neo [6] voor kinetische analyse, thermische simulatie en hotspotidentificatie.
Meetomstandigheden
DEA-metingen werden uitgevoerd met NETZSCH DEA-instrumentatie onder de meetomstandigheden vermeld in tabel 1. De verkregen DEA-curves vormen de basis voor de kinetische analyse.
Figuur 1 toont ons instrument voor diëlektrische analyse (DEA), dat in-situ metingen van het uithardingsgedrag van verschillende reactieve materialen mogelijk maakt. Met meerdere sensoren kunnen temperatuur en IonenviscositeitDe ionenviscositeit is de reciproke waarde van de ionengeleidbaarheid, die wordt berekend uit de diëlektrische verliesfactor.ionviscositeit nauwkeurig gemeten worden, waardoor optimale prestaties en kwaliteit gegarandeerd worden.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Instrument | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Materiaal | Fotopolymeer diacrylaten (UV DLP Firm) |
| Isotherme temperatuur/°C | 30, 90 en 150 |
UV-intensiteiten bij 30°C/mW/cm² | 36, 75, 150 en 300 |
| Bestralingstijd/min | 10 |
| Sensor | IDEX-sensor |
| Frequentie/Hz | 10 |
Kinetische analyse
Kinetics Neo software gebruikt om een uniform model te maken voor verschillende temperaturen en UV-lichtintensiteiten met een intensiteit van I0 = 75 mW/cm². Gedetailleerde informatie over de kinetische modellering van uitharding onder verschillende UV-intensiteiten is te vinden in deel 1[4].
Figuur 2 illustreert de effecten van temperatuur en UV-intensiteit op het uithardingsgedrag van fotopolymere diacrylaten, gemeten met DEA (diëlektrische analyse). Met behulp van de Kinetics Neo software. Ruitsymbolen stellen de experimentele gegevens voor en de ononderbroken lijnen komen overeen met de gepaste curven. Tabel 2 geeft een gedetailleerd overzicht van de kinetische parameters op basis van de DEA-metingen.
Tabel 2: Kinetische parameters van fotopolymeeracrylaten op basis van DEA-metingen
| Reactiestap | A → B |
|---|---|
| Type reactie | Cnm |
| Activeringsenergie [kJ/mol} | 5.174 |
| Log (pre-exponentiële factor) [Log (1/s)] | -1.793 |
| Reactievolgorde | 1.724 |
| Log (pre-exponentiële factor van Autocat [Log(1/s)] | 1.629 |
| AutcatKracht mf | 1.136 |
| nUV Licht | 0.619 |
| I0 [mW/cm²] | 75 |
| Bepalingscoëfficiënt (R²) | 0.996 |
Cnm: Reacton van de n-de orde met m-vermogen autokatalyse
Termica Neo Software: Simulatie
Het exotherme uithardingsproces induceert ZelfverhittingEen speciaal soort calorimeter wordt gebruikt om de zelfverhitting van een stof te detecteren. De verwante methode heet versnellende snelheidscalorimetrie (ARC). zelfverhitting in het materiaal, wat resulteert in de vorming van interne temperatuurgradiënten. In dit werk simuleren we het thermische uithardingsgedrag van diacrylaat fotopolymeer lagen gemodelleerd als een oneindige plaat geometrie, met diktes van 100 μm en 300 μm, en met een enthalpie van 301 J/g uit onze DSC metingen. In de simulatie van AM-processen wordt de reactieve laag boven een dik polymeerblok van 10 cm geplaatst met een gecontroleerde temperatuur van 25°C onder dit blok. De omgevingstemperaturen aan het bovenoppervlak van deze reactieve laag zijn 90°C en 150°C onder UV-belichting met een bepaalde intensiteit van 75 mW/cm2. De simulatie laat zien hoe de temperatuur in de tijd verandert in de lagen tijdens het uithardingsproces.
Figuren 3 (a) en 3 (b) tonen de simulatie van het temperatuurverloop over drie minuten tijdens het uithardingsproces voor lagen van 100 μm en 300 μm. Beide lagen bereiken hun piektemperatuur op ongeveer hetzelfde tijdstip (0,7 minuten): 90.4°C voor de laag van 100 μm en 92,4°C voor de laag van 300 μm voor x=100%, wat overeenkomt met de volledige referentiedikte aan het bovenste oppervlak. De hogere temperatuur in de dikkere laag wijst op een verminderde warmteafvoer. In dikke lagen geeft de exotherme reactie intern meer geaccumuleerde enthalpie vrij, wat leidt tot ZelfverhittingEen speciaal soort calorimeter wordt gebruikt om de zelfverhitting van een stof te detecteren. De verwante methode heet versnellende snelheidscalorimetrie (ARC). zelfverhitting en een hogere temperatuur dan bij dunne lagen.
(a) en 300 μm
(b) bij dezelfde temperatuur van 90°C en een intensiteit van 75 mW/cm².
Figuren 4 (a) en 4 (b) tonen de gesimuleerde temperatuurprofielen over een uithardingscyclus van drie minuten voor een laag van 100 μm onder verschillende isotherme omstandigheden van 50°C en 150°C. Voor beide lagen steeg de piektemperatuur met ongeveer 0,35°C voor een laag van 100 μm. Voor beide lagen steeg de piektemperatuur met ongeveer 0,35°C voor een laag van 100 μm. Bij de verschillende isothermische condities van 50°C en 150°C was het grootste verschil de tijd die nodig was om de piektemperatuur te bereiken voor x=100%, wat overeenkomt met de volledige referentiedikte op de bovenste oppervlaktelaag: bij 150°C gebeurde dit sneller, in 0,6 minuten, terwijl het bij 50°C 1,1 minuut duurde.
(a) en 150°C
(b) voor dezelfde laagdikte van 100 μm en een intensiteit van 75 mW/cm².
Figuur 5 (a) toont de simulatie van het temperatuurverloop over drie minuten tijdens het uithardingsproces van een laag van 300 μm bij 150°C. De piektemperatuur steeg met ongeveer 2,6°C voor deze laag voor x=100%, wat overeenkomt met het bovenoppervlak.
In afbeelding 5 (b) is een 3D-oppervlakteplot te zien met de temperatuur als functie van zowel de laagdikte als de tijd. Afbeelding 5 (c) toont een 3D heatmap met de ruimtelijke temperatuurvariatie over de laag in de loop van de tijd. Deze visualisaties maken een snelle identificatie van thermische hotspots mogelijk.
a) Temperatuurprofielen in de laag voor verschillende verticale posities tijdens uitharding
b) 3D-oppervlakteafbeelding van de temperatuurontwikkeling in de laag als functie van coördinaat en tijd
c) 3D-warmtekaart van het temperatuurverloop in de laag.
Conclusie
Diëlektrische analyse (DEA) is een effectief hulpmiddel voor het controleren van UV-fotopolymeren. Het kan niet alleen in het laboratorium worden gebruikt, maar ook direct op de productielijn. In combinatie met de Kinetics Neo software, hebben DEA metingen bewezen effectief kinetische parameters te bepalen die een functie zijn van zowel temperatuur als UV-intensiteit. De Termica Neo software voegt een significante waarde toe door het thermische gedrag van fotopolymeerlagen te simuleren, de temperatuurontwikkeling te voorspellen, potentiële hotspots te identificeren en optimalisatie van laagdikte en uithardingsomstandigheden mogelijk te maken.
Voordelen van thermische simulatie
Thermische veiligheid en betrouwbaarheid: Simuleer het temperatuurverloop in verschillende laagdiktes om oververhitting of ongelijkmatige uitharding te voorkomen.
Hotspotidentificatie: Thermische hotspots detecteren met 3D temperatuurprofielen en heatmaps.
Tijd- en kostenefficiëntie: Verminder het aantal trial-and-error experimenten en minimaliseer materiaalverspilling.
Toepassingskennisgeving: Deel 1
Lees meer over: Kinetische analyse van uitharding van fotopolymeren onder variabele UV-lichtintensiteiten met Kinetics Neo en DEA in deel 1