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 (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 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 (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.
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 (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 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