Termisk simulering och identifiering av hotspots i fotopolymerlager med hjälp av Termica Neo Software, del 2

Inledning

Fotopolymerer är ljuskänsliga material som polymeriseras när de utsätts för ljus och omvandlar flytande monomerer eller oligomerer till fasta, funktionella nätverk. I processer för additiv tillverkning (AM), inklusive multifotonlitografi och fusion jetting (FJ) [1], påverkas härdningsbeteendet hos akrylatfotopolymerer starkt av både UV-ljusintensitet och temperatur. I AM sker härdningen av materialet lager för lager med typiska lagertjocklekar på cirka 50 till 100 μm [2,3], där materialet upplever självuppvärmning på grund av ExotermEn provövergång eller en reaktion är exoterm om värme genereras.exotermisk härdningsreaktion.

Syftet med denna studie är att undersöka det termiska beteendet hos diakrylatfotopolymerskikt under varierande isotermiska förhållanden och UV-ljusintensiteter, med hjälp av NETZSCH Dielektrisk analys för experimentell övervakning tillsammans med Kinetics Neo [5] och Termica Neo [6] för kinetisk analys, termisk simulering och identifiering av hotspots.

Mätförhållanden

DEA-mätningarna utfördes med hjälp av NETZSCH DEA-instrument under de mätförhållanden som anges i tabell 1. De erhållna DEA-kurvorna ligger till grund för den kinetiska analysen.

Figur 1 visar vårt instrument för dielektrisk analys (DEA), som möjliggör in-situ-mätning av härdningsbeteendet hos olika reaktiva material. Flera sensorer möjliggör exakt mätning av temperatur och JonviskositetJonviskositeten är det reciproka värdet av jonledningsförmågan, som beräknas utifrån den dielektriska förlustfaktorn.jonviskositet, vilket säkerställer optimal prestanda och kvalitet.

Tabell 1: Mätförhållanden

Kinetisk analys

Kinetics Neo används för att skapa en enhetlig modell för olika temperaturer och intensiteter av UV-ljus med en intensitet på I0 = 75 mW/cm². Detaljerad information om den kinetiska modelleringen av Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning under olika UV-intensiteter finns i del 1[4].

Figur 2 illustrerar effekterna av temperatur och UV-intensitet på härdningsbeteendet hos fotopolymerdiakrylater, uppmätt med DEA (dielektrisk analys). En gemensam kinetisk modell skapades med hjälp av Kinetics Neo programvara. Rhombussymboler representerar experimentella data och de heldragna linjerna motsvarar de anpassade kurvorna. Tabell 2 visar de kinetiska parametrarna baserade på DEA-mätningarna.

Tabell 2: Kinetiska parametrar för fotopolymera akrylater baserade på DEA-mätningar

Cnm: Reakton av ⁿ:te ordningen med m-power autokatalys

Termica Neo programvara: Simulering

Den exotermiska härdningsprocessen inducerar självuppvärmning i materialet, vilket resulterar i bildandet av interna temperaturgradienter. I det här arbetet simulerar vi det termiska härdningsbeteendet hos diakrylatfotopolymerskikt som modelleras som en oändlig plattgeometri, med tjocklekar på 100 μm och 300 μm, och med en entalpi på 301 J/g från våra DSC-mätningar. I simuleringen av AM-processer placeras det reaktiva skiktet ovanför ett 10 cm tjockt polymerblock med en kontrollerad temperatur på 25°C under detta block. Omgivningstemperaturen på ovansidan av det reaktiva skiktet är 90°C och 150°C under UV-exponering med en given intensitet på 75 ^mW/cm2. Simuleringen visar hur temperaturen förändras över tiden i skikten under härdningsprocessen.

Figurerna 3 (a) och 3 (b) visar simuleringen av temperaturutvecklingen under tre minuter under härdningsprocessen för skikt på 100 μm och 300 μm. Båda skikten når sina högsta temperaturer vid ungefär samma tidpunkt (0,7 minuter): 90.4°C för 100-μm-skiktet och 92,4°C för 300-μm-skiktet för x=100%, vilket motsvarar den fulla referenstjockleken på det översta ytskiktet. Den högre temperaturen i det tjockare skiktet indikerar minskad värmeavledning. I tjocka skikt frigör den exoterma reaktionen mer ackumulerad entalpi internt, vilket leder till självuppvärmning och en högre temperatur än i tunna skikt.

Figurerna 4 (a) och 4 (b) visar de simulerade temperaturprofilerna under en tre minuters härdningscykel för ett 100 μm skikt under olika isotermiska förhållanden på 50 °C och 150 °C. För båda skikten ökade topptemperaturen med cirka 0,35°C för ett 100 μm skikt. Vid de olika isotermiska förhållandena 50°C och 150°C var den största skillnaden i tiden för att nå topptemperaturen för x=100%, vilket motsvarar den fulla referenstjockleken på det översta ytskiktet: vid 150°C skedde det snabbare, på 0,6 minuter, medan det vid 50°C tog 1,1 minuter.

Figur 5 (a) visar simuleringen av temperaturutvecklingen under tre minuter under härdningsprocessen av ett 300 μm skikt vid 150°C. Topptemperaturen ökade med cirka 2,6°C för detta skikt för x=100%, vilket motsvarar dess översta yta.

Figur 5 (b) visar en 3D-ytplott som illustrerar temperaturen som en funktion av både skiktdjup och tid. Figur 5 (c) visar en 3D-värmekarta som visar den rumsliga temperaturvariationen över lagret över tid. Dessa visualiseringar möjliggör snabb identifiering av termiska hotspots.

Slutsats

Dielektrisk analys (DEA) är ett effektivt verktyg för övervakning av UV-fotopolymerer. Det kan inte bara användas i laboratoriet utan också direkt på produktionslinjen. I kombination med Kinetics Neo programvaran har DEA-mätningar visat sig effektivt kunna bestämma kinetiska parametrar som är en funktion av både temperatur och UV-intensitet. Programvaran Termica Neo tillför ett betydande värde genom att simulera det termiska beteendet hos fotopolymerskikt, förutsäga temperaturutvecklingen, identifiera potentiella hotspots och möjliggöra optimering av skikttjocklek och härdningsförhållanden.

Fördelar med termisk simulering

Termisk säkerhet och tillförlitlighet: Simulera temperaturutvecklingen i olika skikttjocklekar för att förhindra överhettning eller ojämn Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning.

Identifiering av hotspots: Upptäck termiska hotspots med hjälp av 3D-temperaturprofiler och värmekartor.

Tids- och kostnadseffektivitet: Minska antalet experiment med försök och misstag och minimera materialavfallet.