DMA jako narzędzie optymalizacyjne do utwardzania powłok utwardzających i komponentów drukowanych 3D

Systemy utwardzania UV znalazły miejsce w różnych branżach i zastosowaniach ze względu na ich szybkość przetwarzania, precyzję aplikacji i wszechstronność. Niektóre z najważniejszych dotychczasowych zastosowań to:

Przemysł drukarski: Atramenty i farby utwardzane promieniami UV są szeroko stosowane w przemyśle drukarskim. Pozwalają one na szybkie suszenie i 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 farb na papierze, kartonach, tworzywach sztucznych i innych podłożach drukarskich, co zwiększa szybkość produkcji.
Obróbka drewna: Powłoki utwardzane promieniami UV są stosowane w obróbce drewna, w szczególności do mebli, podłóg, powierzchni i wykończeń mebli oraz dekoracji drewnianych. Zapewniają one szybkie 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 i wysoką jakość powierzchni.
Przemysł motoryzacyjny: Farby i powłoki utwardzane promieniami UV są stosowane w przemyśle motoryzacyjnym do malowania części plastikowych, elementów wewnętrznych i desek rozdzielczych. Zapewniają szybkie 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 i wysoką jakość powierzchni.
Elektronika: Materiały utwardzane promieniami UV są wykorzystywane w przemyśle elektronicznym do produkcji płytek drukowanych, wyświetlaczy, obudów, przełączników i innych elementów elektronicznych. Oferują precyzyjne dozowanie i aplikację oraz umożliwiają szybką produkcję.
Technologia medyczna: Materiały utwardzane promieniami UV są wykorzystywane w produkcji urządzeń medycznych, produktów dentystycznych, urządzeń ortopedycznych i innych zastosowań medycznych. Oferują wysoką precyzję i właściwości biokompatybilne.
Optyka i okulary: Materiały utwardzane promieniami UV są stosowane do produkcji soczewek okularowych, soczewek kontaktowych i powłok optycznych. Oferują szybkie 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, wysoką przezroczystość i odporność na zarysowania.
Przemysł lotniczy: Powłoki utwardzane promieniami UV są stosowane w przemyśle lotniczym do komponentów, obudów i zastosowań powierzchniowych. Oferują niewielką wagę, trwałość i szybkie 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.
Opakowania do żywności: Powłoki utwardzane promieniami UV są stosowane w przemyśle opakowań do żywności w celu ochrony materiałów opakowaniowych, poprawy trwałości i zmniejszenia przenikania wilgoci.

Oprócz tych tradycyjnych obszarów, od kilku lat są one szeroko stosowane w produkcji addytywnej. Żywice utwardzane promieniami UV stanowią podstawę procesów fotopolimeryzacji kadziowej i rozpylania materiału, a także są stosowane w rozpylaniu spoiwa. Również w tym przypadku właściwości szybkiego utwardzania są istotne dla szybkości drukowania 3D; precyzja i dokładność są istotne dla rozdzielczości i osiągalnej grubości warstwy; a szeroki zakres formuł pozwala na niemal nieskończoną kombinację właściwości materiału i materiałów.

W niektórych zastosowaniach właściwości atramentów, powłok i części drukowanych w 3D można nawet dodatkowo poprawić poprzez utwardzanie w podwyższonych temperaturach po utwardzaniu promieniami UV. Jest to czasami przydatne do kontrolowania głębokości utwardzania lub poprawy właściwości:

Grubość powłoki lub warstwy wydruku: W przypadku grubych warstw materiałów utwardzanych promieniowaniem UV, światło UV może nie przenikać wystarczająco, aby zapewnić całkowite utwardzenie. Aby osiągnąć całkowite utwardzenie na całej grubości, wymagane jest utwardzanie termiczne.
Skład materiału i stopień usieciowania: Niektóre materiały wymagają utwardzania termicznego, aby osiągnąć wystarczające usieciowanie i polimeryzację. Utwardzanie końcowe pomaga zakończyć niekompletne reakcje i poprawić stabilność materiału.
Optymalizacja właściwości materiału. Połączenie utwardzania UV i termicznego utwardzania końcowego pozwala na optymalizację określonych właściwości materiału, takich jak twardość, elastyczność, udarność i odporność chemiczna.

drukarka 3D tworząca szczegółowy obiekt o strukturze kratownicy, prezentująca zaawansowaną technologię wytwarzania przyrostowego.

Analiza dynamiczno-mechaniczna w celu optymalizacji utwardzania termicznego w odniesieniu do właściwości mechanicznych

Dobrą metodą optymalizacji utwardzania termicznego w odniesieniu do właściwości mechanicznych jest analiza dynamiczno-mechaniczna (DMA). DMA analizuje zachowanie materiałów przy różnych temperaturach, częstotliwościach i odkształceniach. W poniższym przykładzie została ona wykorzystana do określenia idealnej temperatury utwardzania pod względem czasu, kosztów i wydajności.

System żywicy został opracowany przez EZD do stosowania jako tusz, powłoka lub w produkcji addytywnej.

Próbki zostały wyprodukowane przy użyciu druku 3D w EZD-SKZ i przeanalizowane za pomocą urządzenia DMA 303 Eplexor^®. Najważniejsze parametry zostały podsumowane w poniższej tabeli:

Uchwyt próbki	3-punktowe zginanie. elastyczne wsporniki 30 mm
Grubość próbki	ok. 2 mm
Szerokość próbki	ok. 10 mm
Maks. siła dyn	10 N
Amplituda dyn	50 µm
Częstotliwość	1 Hz

W celu wstępnej oceny zachowania utwardzania i zachowania mechanicznego pod wpływem temperatury, przeprowadzono pomiar DMA od 100°C do 200°C przy szybkości ogrzewania 2 K/min. Po schłodzeniu cykl ten powtórzono jeszcze 2 razy na tej samej próbce. Wyniki przedstawiono na rysunku 1. Można zauważyć, że różnica w module magazynowania występuje w temperaturach powyżej temperatury pokojowej. Sztywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Ponadto Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście szkliste (tan d) przesuwa się do wyższych temperatur.

Wyniki testu DMA ilustrujące moduł magazynowania i tan d w różnych temperaturach, podkreślające zmiany temperatury zeszklenia. — Rysunek 1. Pomiar DMA z 2 powtórzeniami w celu analizy modułu magazynowania i tan d w celu określenia temperatury zeszklenia.

Aby określić idealną temperaturę utwardzania dla nowego systemu żywicy, próbki ogrzewano z prędkością 5 K/min od temperatury pokojowej do docelowych temperatur 180°C, 200°C, 210°C i 220°C i utrzymywano izotermicznie przez 5 godzin po osiągnięciu temperatury w celu analizy możliwego wzrostu modułu sprężystości podczas czasu utrzymywania; patrz rysunek 2.

Izotermiczne pomiary wartości modułu podczas utwardzania termicznego w temperaturach 180°C, 200°C, 210°C i 220°C. — Rysunek 2. Pomiar IzotermicznyTesty w kontrolowanej i stałej temperaturze nazywane są izotermicznymi.izotermiczny na różnych próbkach w 180°C, 200°C, 210°C i 220°C

Można zauważyć, że wraz ze wzrostem temperatury można osiągnąć coraz wyższe wartości modułu i że wzrost następuje szybciej w wyższych temperaturach. Dopiero w temperaturze 220°C pojawia się negatywny efekt. Po początkowym wzroście wartości modułu, zaczyna on spadać po około 80 minutach całkowitego czasu pomiaru, co jest wskaźnikiem kruchości materiału. Tak więc w temperaturze 220°C dochodzi już do uszkodzenia materiału.

Osiągalne wartości modułu po 300 minutach wykazują znaczny wzrost wraz ze wzrostem temperatury. Jednak różnica ta nie jest już tak large między 200°C a 210°C.

Aby móc ocenić wpływ na Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście szkliste, wszystkie próbki utrzymywane izotermicznie są następnie dynamicznie ogrzewane od -100°C do 200°C z szybkością ogrzewania 2 K/min. Różnicę w wartościach modułu można już rozpoznać na początku pomiaru w temperaturze -100°C. Można również wyraźnie zauważyć, że wartość modułu próbki uszkodzonej w temperaturze 220°C nie różni się od próbki po utwardzeniu w temperaturze 180°C. Pik tan d, który odpowiada przejściu materiału w stan szklisty (_Tg), przesuwa się do wyższych wartości wraz ze wzrostem temperatury utrzymywania. Należy jednak zauważyć, że różnice rosną mniej gwałtownie po utwardzeniu w temperaturze 200°C.

Wyniki pomiarów DMA pokazujące moduł dynamiczny i tan delta dla próbek po utwardzeniu, z podkreśleniem oznaczenia Tg w różnych temperaturach. — Rysunek 3. Pomiar DMA na próbkach po utwardzeniu, m.in. w celu określenia Tg (pik tan d)

Wyniki pokazują, że najwyższą wartość modułu i _Tg można osiągnąć przy temperaturze utwardzania 210°C.

W zależności od warunków ramowych można teraz podjąć różne decyzje optymalizacyjne:

Aby uzyskać maksymalną wartość modułu 201 MPa, utwardzanie należy przeprowadzić w temperaturze 210°C przez 300 minut.
Jeśli na przykład wystarczająca jest wartość modułu 150 MPa, zostanie ona osiągnięta w temperaturze 200°C po 160 minutach i w temperaturze 210°C po 70 minutach. W zależności od technologii pieca, można założyć, że bardziej efektywne energetycznie (+ czas i koszty) jest osiągnięcie tych samych wyników w czasie o 90 minut krótszym w temperaturze 210°C.
Jeśli wymagana jest pewna wartość zeszklenia, np. > 150°C, temperatura utwardzania 200°C może być już wystarczająca. Dalsze izotermiczne czasy podtrzymania powinny być stosowane w celu sprawdzenia, czy ta sama _Tg może być również osiągnięta szybciej w wyższych temperaturach.

Ten przykład ma na celu pokazanie, że w zależności od docelowej wartości wydajności (moduł lub _Tg), czasu, kosztu lub efektywności energetycznej, kilka pomiarów DMA jest zwykle wystarczających do zawężenia przestrzeni wyników, a następnie zweryfikowania osiągnięcia wartości docelowych za pomocą 1-2 pomiarów potwierdzających.

Dlatego DMA może być stosowana do optymalizacji utwardzania termicznego atramentów utwardzanych promieniowaniem UV, powłok i żywic do druku 3D. W zależności od wartości docelowej, do optymalizacji utwardzania UV można zastosować inne metody, takie jak UV-DSC, sprzężenie UV na reometrze rotacyjnym Kinexus lub UV-DEA.

Dowiedz się więcej o DMA 303 Eplexor^®

DMA 303 Eplexor^®

Więcej artykułów na blogu związanych z produkcją addytywną