Investigating UV Exposure and Thermal Cure in Vat Photopolymerization

Configurația fotopolimerizării în cuvă

O configurație interesantă optimizată pentru imprimarea rapidă este utilizarea proiecției măștii întregului strat și o mișcare de sus în jos a platformei de construcție. Aceasta înseamnă că laserul UV nu trasează forma fiecărui strat pe bază de pixeli, ci mai degrabă fasciculul laser este modelat în geometria întregului strat și îl expune pe tot odată. În același timp, abordarea de sus în jos înseamnă că platforma de construcție este scufundată în rășină, iar proiecția luminii UV are loc din partea de jos, prin intermediul unei ferestre. După fiecare strat, platforma este ridicată cu o înălțime de un strat și procesul este repetat. Vindecarea unui strat între spațiul dintre fereastră și platforma de construcție sau straturile anterioare ale piesei poate duce la aderența piesei la fereastră și poate afecta mișcarea ascendentă. Principiul procesului este explicat aici.

Prin urmare, într-o variantă adesea denumită Digital Light Synthesis (DLS), fereastra este într-adevăr o membrană permeabilă la oxigen. Aceasta permite difuzarea oxigenului prin fereastră și în spațiul de rășină. Ca în cazul tuturor proceselor de difuzie, schimbarea concentrației depinde de timp și are ca rezultat o saturație de oxigen chiar la interfața dintre rășină și fereastră și concentrații mai scăzute mai sus în rășină. Acest efect este utilizat cu rășini sensibile la oxigen, a căror reacție este inhibată de oxigen. Un exemplu tipic ar fi acrilatele.

Datorită acestui efect, rășina rămâne lichidă la interfața cu fereastra și poate fi eliberată cu ușurință în timpul mișcării ascendente a platformei. Cu toate acestea, restul rășinii din spațiul care este expus la lumina UV se întărește. Pentru a înțelege comportamentul de întărire la UV al unei anumite rășini, se poate utiliza fotocalorimetria diferențială (dată de un Photo-DSC) echipat cu o sursă de lumină UV.

Cum funcționează un Photo-DSC

În lucrarea lor "Investigation of the influence of exposure time on the dual-curing reaction of RPU 70 during the DLS process and the resulting mechanical part properties", Philip Obstet al. [1] și-au propus să demonstreze că gradul de reticulare termică a unei rășini bicomponente este determinat de reacția de reticulare anterioară în timpul fotopolimerizării [1].

Studiul realizat în colaborare cu NETZSCH Analyzing & Testing utilizează un Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® cu o extensie de lumină UV OmniCure^® S2000 SC și analizează o rășină poliuretanică rigidă.

Rășina este un sistem dublu de întărire care este inițial întărit de lumina UV în timpul procesului de imprimare 3D. Ulterior, este polimerizată la temperaturi ridicate într-un cuptor pentru a îmbunătăți în continuare proprietățile mecanice și stabilitatea termică a componentei. Ambele etape pot fi investigate cu NETZSCH Photo-DSC, unde sursa de lumină UV poate fi programată liber în combinație cu rampe de temperatură și segmente izoterme. Lumina UV este emisă de o lampă cu mercur scurt arc de 200 W conținută în DSC și este trimisă prin fibre optice și lentile în camera de măsurători atât pe eșantion, cât și pe vasul gol. Un mecanism cu iris rotativ este utilizat pentru a permite reglarea precisă a timpilor de expunere, precum și a intensităților luminoase direct în software-ulNETZSCH Proteus^®. Sistemul Omnicure oferă, de asemenea, un spectru de ieșire larg, care poate fi adaptat cu filtre de limitare a benzii dacă sunt necesare anumite lungimi de undă pentru o aplicație.

Cum se măsoară UV și întărirea termică cu un NETZSCH Photo-DSC

Deși întregul studiu poate fi găsit aici, un exemplu de măsurare, inclusiv analiza, va fi prezentat aici.

Pentru experimentele efectuate, a fost utilizat spectrul complet al instrumentului OmniCure^®. Din cauza distanței constante de 20 mm între ieșirea luminii și probă, apare o pierdere de intensitate. Prin urmare, se utilizează un factor de conversie pentru a ajusta pierderea. Pentru a obține intensitatea luminii de aproximativ 9 ^mW/cm2 care apare în imprimanta 3D, în software a fost utilizată o setare de 0,5 ^W/cm2.

Pentru fiecare măsurătoare, expunerea la UV se realizează la 30°C în timpul unui segment izoterm de 5 minute. Apoi, proba este încălzită la 120°C folosind o rată de încălzire de 3 K/min și menținută constantă timp de 10 minute pentru a se asigura că întărirea este finalizată, înainte de a fi răcită din nou la 30°C.

Toate condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul următor:

Tabelul 1: Condiții de măsurare

În figura 1, este prezentat rezultatul polimerizării UV și al polimerizării termice ulterioare. La începutul segmentului izoterm, eșantionul este expus timp de 6,8 s, iar entalpia exotermă rezultată este măsurată la 78,4 J/g. În timpul următoarei etape de încălzire, are loc întărirea termică a probei, care este deja finalizată atunci când se atinge temperatura finală de 120 °C.

Acest lucru poate fi observat mai bine în figura 2, unde este evidențiată abaterea de la linia de bază. Se poate observa că entalpia exotermă datorată întăririi termice este de 20,89 J/g.

În timpul expunerii la UV, energia măsurată generată de lumina pură trebuie să fie corectată. Din acest motiv, etapa de expunere la UV este repetată pe proba de rășină complet polimerizată și se măsoară creșterea entalpiei. Rezultatul este prezentat în figura 3. Curba albastră arată măsurarea inițială (a se vedea figura 1), iar curba neagră arată entalpia expunerii la UV a rășinii complet întărite. Folosind funcția de sustragere din Proteus^® software, entalpia corectată este calculată și vizualizată sub forma curbei verzi. Entalpia exotermă după corecție este de 70,29 J/g.

Echilibrul corect contează

Acest exemplu arată că, la un timp de expunere de 6,8 s, cea mai mare parte a întăririi are loc în timpul expunerii la UV, comparativ cu întărirea termică (21 J/g). Se poate observa că combinația dintre un foto-DSC și funcționalitatea DSC convențională este capabilă să analizeze astfel de sisteme materiale complexe. Studiul complet arată că o durată mai mică de expunere modifică acest raport în direcția opusă: la o durată mică de expunere, majoritatea reticulelor se formează în timpul etapei de întărire termică.

Autorii au combinat aceste rezultate cu teste mecanice asupra probelor și au putut concluziona: cu cât se produce mai multă întărire datorită expunerii la lumina UV, cu atât piesele rezultate sunt mai rezistente (a se vedea figura 4).

Acest lucru indică faptul că reticularea termică depinde de rețeaua formată anterior în timpul expunerii la UV. Cu toate acestea, autorii au constatat, de asemenea, că în cazul în care cantitatea de reticulări rezultate în urma polimerizării termice devine prea mică, poate apărea fragilizarea și, astfel, la rândul său, performanțele mecanice pot fi reduse. Întregul studiu poate fi citit aici!

Sursă și afilieri

1] Obst, P^.a, Riedelbauch, J^.a, Oehlmann, P^.a, Rietzel, D^.a, Launhardt, M^.c, Schmölzer, S^.d, Osswald, T.A^.e și Witt, G^.b (2020): Investigarea influenței timpului de expunere asupra reacției de polimerizare duală a RPU 70 în timpul procesului DLS și a proprietăților mecanice ale pieselor rezultate. Additive Manufacturing Volume 32. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMWGroup, Additive Manufacturing Center, München, Germania, ^bInstitutulde inginerie a producției, Universitatea Duisburg - Essen, Duisburg, Germania, ^cInstitutulde tehnologie a polimerilor, Universitatea Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Germania, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, Selb, Germania, ^ePolymerEngineering Center, Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706 SUA

Mai multe investigații privind rășinile cu dublă întărire cu NETZSCH Photo-DSC

Investigarea rășinilor cu dublă întărire pentru sinteza digitală a luminii (DLS) cu Photo-DSC 204 F1 Phoenix^®

Fotopolimerii utilizați în tehnologia de fabricație aditivă Digital Light Synthesis (DLS) sunt materiale dificile. Până în prezent, se cunosc puține lucruri despre consecințele creșterii temperaturilor, de exemplu, din cauza temperaturilor camerei mai ridicate. O lucrare de cercetare își propune să investigheze influența temperaturilor asupra acestor rășini cu întărire dublă și constată că Photo-DSC este cel mai eficient pentru a urmări conversia termică, precum și pentru a identifica timpii optimi de expunere.

Cum îmbunătățește Photo-DSC protocoalele de testare a probelor lichide pentru fabricarea aditivă

Fotopolimerii au dobândit o importanță sporită în multe industrii. Sinteza digitală a luminii (DLS), o tehnologie de fabricație aditivă, este un prim exemplu de utilizare a fotopolimerilor. Aflați de ce NETZSCH Photo-DSC este o metodă dovedită pentru optimizarea procesului de producție aditivă.