Wprowadzenie
Fotopolimery to materiały wrażliwe na światło, które polimeryzują pod wpływem światła, przekształcając ciekłe monomery lub oligomery w stałe, funkcjonalne sieci. W procesach wytwarzania addytywnego (AM), w tym litografii wielofotonowej i fusion jetting (FJ) [1], na zachowanie utwardzania fotopolimerów akrylanowych silnie wpływa zarówno intensywność światła UV, jak i temperatura. W AM Utwardzanie (reakcje sieciowania)W dosłownym tłumaczeniu termin "sieciowanie" oznacza "tworzenie sieci". W kontekście chemicznym stosuje się go do reakcji, w których cząsteczki są łączone ze sobą poprzez wprowadzenie wiązań kowalencyjnych i tworzenie trójwymiarowych sieci. utwardzanie materiału odbywa się warstwa po warstwie przy typowej grubości warstwy około 50 do 100 μm [2,3], gdzie materiał ulega samonagrzewaniu w wyniku egzotermicznej reakcji utwardzania.
Celem tego badania jest zbadanie zachowania termicznego warstw fotopolimeru diakrylanowego w zmiennych warunkach izotermicznych i intensywności światła UV, przy użyciu NETZSCH Dielectric Analysis do monitorowania eksperymentalnego wraz z Kinetics Neo [5] i Termica Neo [6] do analizy kinetycznej, symulacji termicznej i identyfikacji hotspotów.
Warunki pomiaru
Pomiary DEA przeprowadzono przy użyciu aparatury NETZSCH DEA w warunkach pomiarowych wymienionych w tabeli 1. Uzyskane krzywe DEA stanowią podstawę analizy kinetycznej.
Rysunek 1 przedstawia nasze urządzenie do analizy dielektrycznej (DEA), które umożliwia pomiar in-situ zachowania utwardzania różnych materiałów reaktywnych. Wiele czujników umożliwia precyzyjny pomiar temperatury i lepkości jonów, zapewniając optymalną wydajność i jakość.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Przyrząd | NETZSCH DEA 288 Ionic |
|---|---|
| Materiał | Fotopolimer diakrylanowy (UV DLP Firm) |
| Temperatura izotermiczna/°C | 30, 90 i 150 |
Intensywność promieniowania UV przy 30°C/mW/cm² | 36, 75, 150 i 300 |
| Czas naświetlania/min | 10 |
| Czujnik | Czujnik IDEX |
| Częstotliwość/Hz | 10 |
Analiza kinetyczna
Kinetics Neo do stworzenia ujednoliconego modelu dla różnych temperatur i natężeń światła UV o natężeniu I0 = 75 mW/cm². Szczegółowe informacje na temat modelowania kinetycznego utwardzania przy różnych natężeniach promieniowania UV można znaleźć w części 1[4].
Rysunek 2 ilustruje wpływ temperatury i natężenia promieniowania UV na zachowanie utwardzania fotopolimerowych diakrylanów, mierzone metodą DEA (analiza dielektryczna). Wspólny model kinetyczny został utworzony przy użyciu oprogramowania Kinetics Neo oprogramowania. Symbole rombów reprezentują dane eksperymentalne, a linie ciągłe odpowiadają dopasowanym krzywym. Tabela 2 wyszczególnia parametry kinetyki oparte na pomiarach DEA.
Tabela 2: Parametry kinetyczne akrylanów fotopolimerowych na podstawie pomiarów DEA
| Etap reakcji | A → B |
|---|---|
| Typ reakcji | Cnm |
| Energia aktywacji [kJ/mol} | 5.174 |
| Log (współczynnik przedwykładniczy) [Log (1/s)] | -1.793 |
| Kolejność reakcji | 1.724 |
| Log (współczynnik przedwykładniczy Autocat [Log(1/s)] | 1.629 |
| AutcatPower mf | 1.136 |
| nUV Light | 0.619 |
| I0 [mW/cm²] | 75 |
| Współczynnik determinacji (R²) | 0.996 |
Cnm: Reakcja n-tego rzędu z autokatalizą o mocy m
Oprogramowanie Termica Neo: Symulacja
EgzotermicznyPrzejście próbki lub reakcja jest egzotermiczna, jeśli generowane jest ciepło.Egzotermiczny proces utwardzania indukuje samonagrzewanie w materiale, powodując powstawanie wewnętrznych gradientów temperatury. W tej pracy symulujemy zachowanie utwardzania termicznego warstw fotopolimeru diakrylanowego modelowanych jako nieskończona geometria płyty o grubości 100 μm i 300 μm oraz o entalpii 301 J/g z naszych pomiarów DSC. W symulacji procesów AM warstwa reaktywna jest umieszczona nad grubym blokiem polimerowym o grubości 10 cm z kontrolowaną temperaturą 25°C poniżej tego bloku. Temperatury otoczenia na górnej powierzchni tej warstwy reaktywnej wynoszą 90°C i 150°C przy ekspozycji na promieniowanie UV o danej intensywności 75 mW/cm2. Symulacja pokazuje, jak temperatura zmienia się w czasie w warstwach podczas procesu utwardzania.
Rysunki 3 (a) i 3 (b) przedstawiają symulację ewolucji temperatury w ciągu trzech minut podczas procesu utwardzania dla warstw 100 μm i 300 μm. Obie warstwy osiągają szczytową temperaturę w przybliżeniu w tym samym czasie (0,7 minuty): 90.4°C dla warstwy 100-μm i 92,4°C dla warstwy 300-μm dla x=100%, co odpowiada pełnej grubości referencyjnej w górnej warstwie powierzchniowej. Wyższa temperatura w grubszej warstwie wskazuje na zmniejszone rozpraszanie ciepła. W grubych warstwach reakcja egzotermiczna uwalnia wewnętrznie więcej nagromadzonej entalpii, co prowadzi do samonagrzewania i wyższej temperatury niż w przypadku cienkich warstw.
(a) i 300 μm
(b) w tej samej temperaturze 90°C i intensywności 75 mW/cm².
Rysunki 4 (a) i 4 (b) przedstawiają symulowane profile temperatury w trzyminutowym cyklu utwardzania dla warstwy o grubości 100 μm w różnych warunkach izotermicznych 50°C i 150°C. Dla obu warstw temperatura szczytowa wzrosła o około 0,35°C dla warstwy 100 μm. W różnych warunkach izotermicznych 50°C i 150°C, główna różnica polegała na czasie osiągnięcia temperatury szczytowej dla x=100%, co odpowiada pełnej grubości referencyjnej w górnej warstwie powierzchniowej: w 150°C nastąpiło to szybciej, w 0,6 minuty, podczas gdy w 50°C zajęło to 1,1 minuty.
(a) i 150°C
(b) dla tej samej grubości warstwy 100 μm i intensywności 75 mW/cm².
Rysunek 5 (a) przedstawia symulację ewolucji temperatury w ciągu trzech minut podczas procesu utwardzania warstwy o grubości 300 μm w temperaturze 150°C. Szczytowa temperatura wzrosła o około 2,6°C dla tej warstwy dla x=100%, co odpowiada jej górnej powierzchni.
Rysunek 5 (b) przedstawia wykres powierzchniowy 3D ilustrujący temperaturę jako funkcję zarówno głębokości warstwy, jak i czasu. Rysunek 5 (c) przedstawia mapę cieplną 3D pokazującą przestrzenne zmiany temperatury w warstwie w czasie. Wizualizacje te umożliwiają szybką identyfikację gorących punktów termicznych.
(a) Profile temperatury w warstwie dla różnych pozycji pionowych podczas utwardzania
(b) Powierzchnia 3D przedstawiająca ewolucję temperatury w warstwie w funkcji współrzędnych i czasu
(c) Mapa cieplna 3D ewolucji temperatury w warstwie.
Wnioski
Analiza dielektryczna (DEA) jest skutecznym narzędziem do monitorowania fotopolimerów UV. Może być stosowana nie tylko w laboratorium, ale także bezpośrednio na linii produkcyjnej. W połączeniu z oprogramowaniem Kinetics Neo oprogramowaniem, pomiary DEA okazały się skuteczne w określaniu parametrów kinetycznych, które są funkcją zarówno temperatury, jak i intensywności promieniowania UV. Oprogramowanie Termica Neo wnosi znaczącą wartość dodaną poprzez symulację zachowania termicznego warstw fotopolimerowych, przewidywanie ewolucji temperatury, identyfikację potencjalnych hotspotów oraz umożliwienie optymalizacji grubości warstwy i warunków utwardzania.
Korzyści z symulacji termicznej
Bezpieczeństwo termiczne i niezawodność: Symulacja ewolucji temperatury w różnych grubościach warstw, aby zapobiec przegrzaniu lub nierównomiernemu utwardzaniu.
Identyfikacja gorących punktów: Wykrywanie gorących punktów termicznych za pomocą profili temperatury 3D i map cieplnych.
Efektywność czasowa i kosztowa: Ograniczenie eksperymentów typu "prób i błędów" i zminimalizowanie strat materiałowych.
Nota aplikacyjna: Część 1
Dowiedz się więcej o: Kinetyczna analiza utwardzania fotopolimerów przy zmiennym natężeniu światła UV z wykorzystaniem Kinetics Neo i DEA w części 1