Investigating UV Exposure and Thermal Cure in Vat Photopolymerization

Configuratie van Vat Fotopolymerisatie

Een interessante configuratie die geoptimaliseerd is voor snel printen is het gebruik van maskerprojectie van de hele laag en een top-down beweging van het bouwplatform. Dit betekent dat de UV-laser niet de vorm van elke laag per pixel volgt, maar dat de laserstraal de geometrie van de hele laag volgt en deze in één keer belicht. Tegelijkertijd betekent de top-down benadering dat het bouwplatform ondergedompeld is in de hars en dat de UV-lichtprojectie van onderaf door een venster plaatsvindt. Na elke laag wordt het platform één laag omhoog bewogen en wordt het proces herhaald. Het uitharden van een laag tussen de opening van het venster en het bouwplatform of eerdere lagen van het onderdeel kan leiden tot hechting van het onderdeel aan het venster en de opwaartse beweging beïnvloeden. Het procesprincipe wordt hier uitgelegd.

In een variant die vaak Digitale Licht Synthese (DLS) wordt genoemd, is het venster dus een zuurstofdoorlatend membraan. Hierdoor kan zuurstof door het venster diffunderen naar de harsspleet. Zoals alle diffusieprocessen is de concentratieverandering tijdsafhankelijk en resulteert in een zuurstofverzadiging op het grensvlak van de hars en het venster en lagere concentraties verder omhoog in de hars. Dit effect wordt gebruikt bij zuurstofgevoelige harsen, waarvan de reactie wordt geremd door zuurstof. Een typisch voorbeeld zijn acrylaten.

Door dit effect blijft de hars vloeibaar op het grensvlak met het raam en kan deze gemakkelijk vrijkomen tijdens de opwaartse beweging van het platform. De rest van de hars in de spleet die wordt blootgesteld aan UV-licht wordt echter uitgehard. Om het UV-uithardingsgedrag van een bepaalde hars te begrijpen, kan differentiële fotocalorimetrie (gegeven door een Photo-DSC) uitgerust met een UV-lichtbron worden gebruikt.

Hoe een foto-DSC werkt

In hun artikel "Investigation of the influence of exposure time on the dual-curing reaction of RPU 70 during the DLS process and the resulting mechanical part properties" (Onderzoek naar de invloed van de belichtingstijd op de dubbele uithardingsreactie van RPU 70 tijdens het DLS-proces en de resulterende mechanische deeleigenschappen), wilden Philip Obstet al. [1] aantonen dat de mate van thermische vernetting van een tweecomponentenhars wordt bepaald door de voorafgaande vernettingsreactie tijdens de fotopolymerisatie [1].

Het onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met NETZSCH Analyzing & Testing, maakt gebruik van een Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® met een OmniCure^® S2000 SC UV-lichtuitbreiding en analyseert een harde polyurethaanhars.

De hars is een dual cure systeem dat eerst wordt uitgehard door UV-licht tijdens het 3D-printproces. Later wordt het uitgehard bij verhoogde temperaturen in een oven om de mechanische eigenschappen en Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit van het onderdeel verder te verbeteren. Beide stappen kunnen worden onderzocht met de NETZSCH Photo-DSC, waarbij de UV-lichtbron vrij kan worden geprogrammeerd in combinatie met temperatuurstijgingen en isotherme segmenten. Het UV-licht wordt uitgezonden door een 200 W kwik korte arc lamp in de DSC en wordt via optische vezels en lenzen in de meetkamer gestuurd naar zowel het monster als de lege pan. Een draaibaar irismechanisme wordt gebruikt om nauwkeurige instellingen van de belichtingstijden en lichtintensiteiten rechtstreeks in de NETZSCH Proteus^® software mogelijk te maken. Het Omnicure systeem biedt verder een breed uitgangsspectrum, dat kan worden aangepast met bandbegrenzende filters als specifieke golflengten nodig zijn voor een toepassing.

Hoe UV- en thermische uitharding meten met een NETZSCH Photo-DSC

Het hele onderzoek is hier te vinden, maar één voorbeeldmeting inclusief de analyse wordt hier gepresenteerd.

Voor de uitgevoerde experimenten is het volledige spectrum van het OmniCure^® instrument gebruikt. Door de constante afstand van 20 mm tussen de lichtuitgang en het monster treedt er een intensiteitsverlies op. Daarom wordt een conversiefactor gebruikt om dit verlies te compenseren. Om de lichtintensiteit van ongeveer 9 ^mW/cm2 te bereiken die optreedt in de 3D-printer, werd een instelling van 0,5 ^W/cm2 gebruikt in de software.

Voor elke meting wordt de UV-blootstelling uitgevoerd bij 30°C gedurende een IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm segment van 5 minuten. Daarna wordt het monster verwarmd tot 120 °C met een verwarmingssnelheid van 3 K/min en gedurende 10 minuten constant gehouden om zeker te zijn dat de uitharding voltooid is, voordat het weer wordt afgekoeld tot 30 °C.

Alle meetomstandigheden zijn samengevat in de volgende tabel:

Tabel 1: Meetomstandigheden

Figuur 1 toont het resultaat van UV uitharding en daaropvolgende thermische uitharding. Aan het begin van het isotherme segment wordt het monster 6,8 seconden belicht en de resulterende exotherme enthalpie wordt gemeten op 78,4 J/g. Tijdens de volgende verwarmingsstap vindt de thermische uitharding van het monster plaats en deze is al beëindigd wanneer de eindtemperatuur van 120°C wordt bereikt.

Dit kan beter worden waargenomen in Figuur 2, waar de afwijking van de basislijn wordt gemarkeerd. Het is te zien dat de exotherme enthalpie als gevolg van de thermische uitharding 20,89 J/g is.

Tijdens UV-blootstelling moet er gecorrigeerd worden voor de gemeten energie die gegenereerd wordt door zuiver licht. Daarom wordt de UV-blootstellingsstap herhaald op het volledig uitgeharde harsmonster en wordt de enthalpieverhoging gemeten. Het resultaat wordt getoond in figuur 3. De blauwe curve toont de beginmeting (zie figuur 1) en de zwarte curve toont de enthalpie van de UV-blootstelling van de volledig uitgeharde hars. Met behulp van de aftrekfunctie in de Proteus^® software wordt de gecorrigeerde enthalpie berekend en gevisualiseerd als de groene curve. De exotherme enthalpie na Rabinowitsch CorrectieDe Rabinowitsch (of Weissenberg-Rabinowitsch) correctie wordt toegepast om nauwkeurigere waarden voor schuifsnelheden te krijgen van niet-Newtonse materialen, gemeten met een capillaire stromingstechniek.correctie is 70,29 J/g.

De juiste balans is belangrijk

Dit voorbeeld laat zien dat met een belichtingstijd van 6,8 s het grootste deel van de uitharding plaatsvindt tijdens de UV-belichting in vergelijking met de thermische uitharding (21 J/g). Het is te zien dat de combinatie van een foto-DSC en conventionele DSC-functionaliteit in staat is om dergelijke complexe materiaalsystemen te analyseren. De volledige studie toont aan dat lagere belichtingstijden deze verhouding in de tegenovergestelde richting verschuiven: bij een lage belichtingsduur wordt de meerderheid van de crosslinks gevormd tijdens de thermische uithardingsstap.

De auteurs combineerden deze resultaten met mechanische testen op de monsters en konden concluderen: hoe meer uitharding er plaatsvond door blootstelling aan UV-licht, hoe sterker de resulterende onderdelen (zie afbeelding 4).

Dit geeft aan dat de thermische vernetting afhangt van het eerder gevormde netwerk tijdens UV-blootstelling. De auteurs ontdekten echter ook dat als de hoeveelheid crosslinks door thermische uitharding te laag wordt, verbrossing kan optreden en dus ook de mechanische prestaties kunnen verminderen. Het hele onderzoek kan hier worden gelezen!

Bron en affiliaties

1] Obst, P^.a, Riedelbauch, J^.a, Oehlmann, P^.a, Rietzel, D^.a, Launhardt, M^.c, Schmölzer, S^.d, Osswald, T.A^.e en Witt, G^.b (2020): Investigation of the influence of exposure time on the dual-curing reaction of RPU 70 during the DLS process and the resulting mechanical part properties. Additive Manufacturing Deel 32. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMWGroep, Additive Manufacturing Center, München, Duitsland, ^bInsituutvoor productietechniek, Universiteit Duisburg - Essen, Duisburg, Duitsland, ^cInstituutvoor polymeertechnologie, Friedrich-Alexander-Universiteit Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Duitsland, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, Selb, Duitsland, ^ePolymerEngineering Center, Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706 USA

Meer onderzoek naar dubbelhardende harsen met de NETZSCH Photo-DSC

Onderzoek naar dubbelhardende harsen voor digitale lichtsynthese (DLS) met de Photo-DSC 204 F1 Phoenix^®

Fotopolymeren die gebruikt worden in de Additive Manufacturing technologie Digital Light Synthesis (DLS) zijn uitdagende materialen. Tot nu toe is er weinig bekend over de gevolgen van hogere temperaturen, bijvoorbeeld door hogere kamertemperaturen. In een onderzoeksartikel wordt de invloed van temperaturen op dergelijke dubbel uithardende harsen onderzocht en wordt vastgesteld dat de foto-DSC het meest effectief is voor het volgen van de thermische conversie en voor Identify optimale belichtingstijden.

Hoe foto-DSC de testprotocollen van vloeistofmonsters voor Additive Manufacturing verbetert

Fotopolymeren zijn in veel industrieën steeds belangrijker geworden. Digitale lichtsynthese (DLS), een additieve productietechnologie, is een goed voorbeeld van het gebruik van fotopolymeren. Ontdek waarom de NETZSCH Photo-DSC een bewezen methode is om het Additive Manufacturing proces te optimaliseren.