Badanie ekspozycji na promieniowanie UV i utwardzania termicznego w fotopolimeryzacji kadziowej

Konfiguracja fotopolimeryzacji w kadzi

Jedną z interesujących konfiguracji zoptymalizowanych pod kątem szybkiego drukowania jest wykorzystanie projekcji maski całej warstwy i ruchu platformy konstrukcyjnej z góry na dół. Oznacza to, że laser UV nie śledzi kształtu każdej warstwy na podstawie pikseli, ale raczej wiązka lasera jest kształtowana zgodnie z geometrią całej warstwy i naświetla ją jednocześnie. Jednocześnie podejście odgórne oznacza, że platforma robocza jest zanurzona w żywicy, a projekcja światła UV odbywa się od dołu przez okno. Po każdej warstwie platforma jest przesuwana w górę o jedną warstwę i proces jest powtarzany. Utwardzanie warstwy między szczeliną okna a platformą roboczą lub poprzednimi warstwami części może prowadzić do przylegania części do okna i wpływać na ruch w górę. Zasada procesu została wyjaśniona tutaj.

Dlatego w jednej z odmian, często określanej jako cyfrowa synteza światła (DLS), okno jest rzeczywiście membraną przepuszczającą tlen. Pozwala to na dyfuzję tlenu przez okno i do szczeliny żywicznej. Podobnie jak w przypadku wszystkich procesów dyfuzji, zmiana stężenia jest zależna od czasu i skutkuje nasyceniem tlenem bezpośrednio na styku żywicy i okna oraz niższymi stężeniami w dalszej części żywicy. Efekt ten jest wykorzystywany w przypadku żywic wrażliwych na tlen, których reakcja jest hamowana przez tlen. Typowym przykładem są akrylany.

Dzięki temu efektowi żywica pozostaje płynna na styku z oknem i może być łatwo uwolniona podczas ruchu platformy w górę. Pozostała część żywicy w szczelinie, która jest wystawiona na działanie światła UV, jest jednak utwardzana. Aby zrozumieć zachowanie utwardzania UV danej żywicy, można zastosować fotokalorymetrię różnicową (podawaną przez Photo-DSC) wyposażoną w źródło światła UV.

Jak działa Photo-DSC

W artykule "Badanie wpływu czasu naświetlania na reakcję podwójnego utwardzania żywicy RPU 70 podczas procesu DLS i wynikające z niej właściwości mechaniczne części" Philip Obstet i wsp. [1] postanowili wykazać, że stopień sieciowania termicznego żywicy dwuskładnikowej zależy od poprzedzającej reakcji sieciowania podczas fotopolimeryzacji [1].

W badaniu przeprowadzonym we współpracy z firmą NETZSCH Analyzing & Testing wykorzystano urządzenie Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® z przedłużaczem światła UV OmniCure^® S2000 SC i analizowano sztywną żywicę poliuretanową.

Żywica jest systemem podwójnego utwardzania, który jest początkowo utwardzany światłem UV podczas procesu drukowania 3D. Później jest utwardzana w piecu w podwyższonej temperaturze w celu dalszej poprawy właściwości mechanicznych i stabilności termicznej komponentu. Oba etapy można badać za pomocą urządzenia NETZSCH Photo-DSC, w którym źródło światła UV można dowolnie zaprogramować w połączeniu z rampami temperaturowymi i segmentami izotermicznymi. Światło UV jest emitowane przez krótką arc lampę rtęciową o mocy 200 W zawartą w DSC i przesyłane przez światłowody i soczewki do komory pomiarowej zarówno na próbkę, jak i na pustą szalkę. Mechanizm obrotowej przysłony umożliwia precyzyjne ustawienie czasu ekspozycji oraz natężenia światła bezpośrednio w oprogramowaniuNETZSCH Proteus^®. System Omnicure oferuje ponadto szerokie spektrum wyjściowe, które można dostosować za pomocą filtrów ograniczających pasmo, jeśli do danego zastosowania potrzebne są określone długości fal.

Jak mierzyć utwardzanie UV i termiczne za pomocą NETZSCH Photo-DSC

Chociaż całe badanie można znaleźć tutaj, jeden przykładowy pomiar wraz z analizą zostanie przedstawiony tutaj.

Do przeprowadzonych eksperymentów wykorzystano pełne spektrum instrumentu OmniCure^®. Ze względu na stałą odległość 20 mm między wyjściem światła a próbką występuje utrata intensywności. W związku z tym zastosowano współczynnik konwersji w celu skorygowania tej straty. Aby osiągnąć natężenie światła około 9 ^mW/cm2, które występuje w drukarce 3D, w oprogramowaniu zastosowano ustawienie 0,5 ^W/cm2.

Dla każdego pomiaru ekspozycja na promieniowanie UV jest wykonywana w temperaturze 30°C podczas 5-minutowego segmentu izotermicznego. Następnie próbka jest podgrzewana do 120°C przy użyciu szybkości ogrzewania 3 K/min i utrzymywana na stałym poziomie przez 10 minut, aby upewnić się, żeUtwardzanie (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 zostało zakończone, zanim zostanie schłodzona z powrotem do 30°C.

Wszystkie warunki pomiaru zostały podsumowane w poniższej tabeli:

Tabela 1: Warunki pomiaru

Na rysunku 1 pokazano wynik utwardzania UV i późniejszego utwardzania termicznego. Na początku segmentu izotermicznego próbka jest naświetlana przez 6,8 s, a wynikowa entalpia egzotermiczna wynosi 78,4 J/g. Podczas kolejnego etapu ogrzewania następujeUtwardzanie (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 termiczne próbki, które jest już zakończone po osiągnięciu temperatury końcowej 120°C.

Można to lepiej zaobserwować na rysunku 2, gdzie zaznaczono odchylenie od linii bazowej. Można zauważyć, że entalpia egzotermiczna spowodowana utwardzaniem termicznym wynosi 20,89 J/g.

Podczas ekspozycji na promieniowanie UV należy skorygować zmierzoną energię generowaną przez czyste światło. Z tego powodu etap ekspozycji na promieniowanie UV jest powtarzany na całkowicie utwardzonej próbce żywicy i mierzony jest wzrost entalpii. Wynik pokazano na rysunku 3. Niebieska krzywa pokazuje początkowy pomiar (patrz rysunek 1), a czarna krzywa pokazuje entalpię ekspozycji UV w pełni utwardzonej żywicy. Korzystając z funkcji odejmowania w oprogramowaniu Proteus^® skorygowana entalpia jest obliczana i wizualizowana jako zielona krzywa. Entalpia egzotermiczna po korekcie wynosi 70,29 J/g.

Właściwa równowaga ma znaczenie

Ten przykład pokazuje, że przy czasie ekspozycji 6,8 s, większość utwardzania zachodzi podczas ekspozycji na promieniowanie UV w porównaniu do utwardzania termicznego (21 J/g). Można zauważyć, że połączenie Photo-DSC i konwencjonalnej funkcji DSC jest w stanie analizować tak złożone systemy materiałowe. Pełne badanie pokazuje, że krótsze czasy ekspozycji przesuwają ten stosunek w przeciwnym kierunku: przy niskim czasie ekspozycji większość wiązań krzyżowych powstaje podczas etapu utwardzania termicznego.

Autorzy połączyli te wyniki z testami mechanicznymi próbek i byli w stanie stwierdzić: im więcej utwardzania nastąpiło w wyniku ekspozycji na światło UV, tym mocniejsze są powstałe części (patrz rysunek 4).

Wskazuje to, że sieciowanie termiczne zależy od wcześniej utworzonej sieci podczas ekspozycji na promieniowanie UV. Jednak autorzy stwierdzili również, że jeśli ilość wiązań poprzecznych z utwardzania termicznego jest zbyt niska, może wystąpić kruchość, a tym samym, z kolei, wydajność mechaniczna może również zostać zmniejszona. Całe badanie można przeczytać tutaj!

Źródło i afiliacje

1] Obst, P.^a, Riedelbauch, J^.a, Oehlmann, P^.a, Rietzel, D^.a, Launhardt, M^.c, Schmölzer, S^.d, Osswald, T.A^.e i Witt, G^.b (2020): Badanie wpływu czasu ekspozycji na reakcję podwójnego utwardzania RPU 70 podczas procesu DLS i wynikające z niej właściwości mechaniczne części. Additive Manufacturing Volume 32. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMWGroup, Additive Manufacturing Center, Monachium, Niemcy, ^bInsititutefor Production Engineering, University Duisburg - Essen, Duisburg, Niemcy, ^cInstituteof Polymer Technology, Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Niemcy, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, Selb, Niemcy, ^ePolymerEngineering Center, Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706 USA

Więcej badań nad podwójnie utwardzanymi żywicami za pomocą NETZSCH Photo-DSC

Badanie podwójnie utwardzanych żywic do cyfrowej syntezy światła (DLS) za pomocą Photo-DSC 204 F1 Phoenix^®

Fotopolimery stosowane w technologii wytwarzania przyrostowego Digital Light Synthesis (DLS) są materiałami wymagającymi. Jak dotąd niewiele wiadomo na temat konsekwencji wzrostu temperatury, np. z powodu wyższych temperatur pokojowych. Badaniearch ma na celu zbadanie wpływu temperatury na takie podwójnie utwardzane żywice i wykazało, że Photo-DSC jest najbardziej skuteczna w śledzeniu konwersji termicznej, a także w określaniu optymalnych czasów ekspozycji.

Jak Photo-DSC usprawnia protokoły testowe próbek ciekłych na potrzeby produkcji addytywnej

Fotopolimery zyskały na znaczeniu w wielu gałęziach przemysłu. Cyfrowa Synteza Światła (DLS), technologia wytwarzania przyrostowego, jest doskonałym przykładem zastosowania fotopolimerów. Dowiedz się, dlaczego NETZSCH Photo-DSC jest sprawdzoną metodą optymalizacji procesu wytwarzania przyrostowego.