Simularea termică și identificarea punctelor fierbinți în straturile de fotopolimer utilizând software-ul Termica Neo, partea 2

Introducere

Fotopolimerii sunt materiale sensibile la lumină care polimerizează la expunerea la lumină, transformând monomerii sau oligomerii lichizi în rețele solide, funcționale. În procesele de fabricare aditivă (AM), inclusiv litografia multifotonală și jetul de fuziune (FJ) [1], comportamentul de întărire al fotopolimerilor acrilici este puternic influențat atât de intensitatea luminii UV, cât și de temperatură. În AM, întărirea materialului se face strat cu strat, cu grosimi tipice ale straturilor de aproximativ 50-100 μm [2,3], unde materialul se încălzește singur datorită reacției exoterme de întărire.

Scopul acestui studiu este de a investiga comportamentul termic al straturilor de fotopolimer diacrilat în diferite condiții izoterme și intensități ale luminii UV, utilizând analiza dielectrică NETZSCH pentru monitorizarea experimentală împreună cu Kinetics Neo [5] și software-ul Termica Neo [6] pentru analiza cinetică, simularea termică și identificarea punctelor fierbinți.

Condiții de măsurare

Măsurătorile DEA au fost efectuate utilizând instrumentarul DEA NETZSCH în condițiile de măsurare enumerate în tabelul 1. Curbele DEA obținute constituie baza pentru analiza cinetică.

Figura 1 prezintă instrumentul nostru pentru analiza dielectrică (DEA), care permite măsurarea in-situ a comportamentului de întărire a diferitelor materiale reactive. Senzorii multipli permit măsurarea precisă a temperaturii și a vâscozității ionilor, asigurând o performanță și o calitate optime.

Tabelul 1: Condiții de măsurare

Analiză cinetică

Kinetics Neo este utilizat pentru a crea un model unificat pentru diferite temperaturi și intensități ale luminii UV cu o intensitate de I0 = 75 mW/cm². Informații detaliate despre modelarea cinetică a întăririi la diferite intensități UV pot fi găsite în partea 1[4].

Figura 2 ilustrează efectele temperaturii și ale intensității UV asupra comportamentului de întărire a fotopolimerilor diacrilați, măsurate prin DEA (analiză dielectrică). Un model cinetic comun a fost creat cu ajutorul Kinetics Neo software. Simbolurile rombice reprezintă datele experimentale, iar liniile continue corespund curbelor ajustate. Tabelul 2 detaliază parametrii cinetici pe baza măsurătorilor DEA.

Tabelul 2: Parametrii cinetici ai fotopolimerilor acrilați pe baza măsurătorilor DEA

Cnm: Reacție de ordinul ⁿ cu autocataliză de putere m

Termica Neo Software: Simulare

Procesul de întărire ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermal induce autoîncălzirea în interiorul materialului, ducând la formarea unor gradienți de temperatură internă. În această lucrare, simulăm comportamentul de întărire termică a straturilor de fotopolimer diacrilat modelate ca o geometrie de plăci infinite, cu grosimi de 100 μm și 300 μm și cu o entalpie de 301 J/g din măsurătorile noastre DSC. În simularea proceselor AM, stratul reactiv este plasat deasupra unui bloc de polimer gros de 10 cm, cu o temperatură controlată de 25°C sub acest bloc. Temperaturile înconjurătoare la suprafața superioară a acestui strat reactiv sunt de 90°C și 150°C sub expunere UV cu o intensitate dată de 75 ^mW/cm2. Simularea arată modul în care temperatura se modifică în timp în straturi în timpul procesului de întărire.

Figurile 3 (a) și 3 (b) prezintă simularea evoluției temperaturii pe parcursul a trei minute în timpul procesului de întărire pentru straturile de 100 μm și 300 μm. Ambele straturi își ating temperaturile maxime aproximativ în același timp (0,7 minute): 90.4°C pentru stratul de 100-μm și 92,4°C pentru stratul de 300-μm pentru x=100%, care corespunde întregii grosimi de referință la stratul superior de suprafață. Temperatura mai ridicată în stratul mai gros indică o disipare redusă a căldurii. În straturile groase, reacția exotermă eliberează mai multă entalpie acumulată în interior, ceea ce duce la autoîncălzire și la o temperatură mai ridicată decât în straturile subțiri.

Figurile 4 (a) și 4 (b) prezintă profilurile de temperatură simulate pe parcursul unui ciclu de întărire de trei minute pentru un strat de 100 μm în diferite condiții izoterme de 50°C și 150°C. Pentru ambele straturi, temperatura de vârf a crescut cu aproximativ 0,35°C pentru un strat de 100-μm. În condițiile izoterme diferite de 50°C și 150°C, principala diferență a fost în timpul de atingere a temperaturii de vârf pentru x=100%, care corespunde grosimii totale de referință la stratul superior de suprafață: la 150°C, aceasta s-a produs mai rapid, în 0,6 minute, în timp ce la 50°C, a durat 1,1 minute.

Figura 5 (a) prezintă simularea evoluției temperaturii pe parcursul a trei minute în timpul procesului de întărire a unui strat de 300 μm la 150°C. Temperatura maximă a crescut cu aproximativ 2,6°C pentru acest strat pentru x=100%, care corespunde suprafeței sale superioare.

Figura 5 (b) prezintă un grafic de suprafață 3D care ilustrează temperatura în funcție de adâncimea stratului și de timp. Figura 5 (c) prezintă o hartă termică 3D care arată variația spațială a temperaturii de-a lungul stratului în timp. Aceste vizualizări permit identificarea rapidă a punctelor termice fierbinți.

Concluzie

Analiza dielectrică (DEA) este un instrument eficient pentru monitorizarea fotopolimerilor UV. Aceasta poate fi utilizată nu numai în laborator, ci și direct pe linia de producție. Atunci când sunt combinate cu software-ul Kinetics Neo software-ul, s-a dovedit că măsurătorile DEA determină în mod eficient parametrii cinetici care sunt o funcție atât a temperaturii, cât și a intensității UV. Software-ul Termica Neo adaugă o valoare semnificativă prin simularea comportamentului termic al straturilor de fotopolimer, prezicerea evoluției temperaturii, identificarea punctelor fierbinți potențiale și permite optimizarea grosimii stratului și a condițiilor de întărire.

Beneficiile simulării termice

Siguranță și fiabilitate termică: Simulați evoluția temperaturii în diferite grosimi ale stratului pentru a preveni supraîncălzirea sau întărirea neuniformă.

Identificarea punctelor fierbinți: Detectarea punctelor termice fierbinți utilizând profile de temperatură 3D și hărți termice.

Eficiența timpului și a costurilor: Reduceți experimentele de încercare și eroare și minimizați risipa de materiale.