Investigating UV Exposure and Thermal Cure in Vat Photopolymerization

Konfiguration av Vat-fotopolymerisation

En intressant konfiguration som är optimerad för snabb utskrift är att använda maskprojektion av hela lagret och en uppifrån-och-ned-rörelse av byggplattformen. Det innebär att UV-lasern inte följer formen på varje lager på pixelbasis, utan att laserstrålen formas efter hela lagrets geometri och exponerar allt på en gång. Samtidigt innebär top-down-metoden att byggplattformen är nedsänkt i hartset och att UV-ljusprojektionen sker från botten genom ett fönster. Efter varje lager flyttas plattformen upp med en lagerhöjd och processen upprepas. Härdning av ett skikt mellan fönstret och byggplattformen eller tidigare skikt på detaljen kan leda till att detaljen vidhäftar fönstret och påverka den uppåtgående rörelsen. Processprincipen förklaras här.

I en variant som ofta kallas Digital Light Synthesis (DLS) är fönstret därför ett syrepermeabelt membran. Detta möjliggör diffusion av syre genom fönstret och in i hartsspalten. Som vid alla diffusionsprocesser är koncentrationsförändringen tidsberoende och resulterar i en syremättnad precis vid gränssnittet mellan hartset och fönstret och lägre koncentrationer längre upp i hartset. Denna effekt används med syrekänsliga hartser, vars reaktion hämmas av syre. Ett typiskt exempel skulle vara akrylater.

På grund av denna effekt förblir hartset flytande vid gränssnittet mot fönstret och kan lätt frigöras under plattformens uppåtgående rörelse. Resten av hartset i spalten som utsätts för UV-ljus härdas dock. För att förstå UV-härdningsbeteendet hos ett visst harts kan differentiell fotokalorimetri (med en Photo-DSC) utrustad med en UV-ljuskälla användas.

Hur en Photo-DSC fungerar

I sin artikel "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", försöker Philip Obstet al. [1] visa att graden av termisk tvärbindning av ett tvåkomponentsharts bestäms av den föregående tvärbindningsreaktionen under fotopolymerisation [1].

I studien som utfördes i samarbete med NETZSCH Analyzing & Testing används en Photo-DSC 204 F1 Phoenix^® med en OmniCure^® S2000 SC UV-ljusförlängning och analyserar ett styvt polyuretanharts.

Hartset är ett dual cure-system som initialt härdas med UV-ljus under 3D-utskriftsprocessen. Senare härdas det vid förhöjda temperaturer i en ugn för att ytterligare förbättra komponentens mekaniska egenskaper och termiska stabilitet. Båda stegen kan undersökas med NETZSCH Photo-DSC, där UV-ljuskällan kan programmeras fritt i kombination med temperaturramper och isotermiska segment. UV-ljuset avges av en 200 W kvicksilverlampa med kort arc som finns i DSC och skickas via optiska fibrer och linser in i mätkammaren på både provet och den tomma behållaren. En roterande irismekanism används för att möjliggöra exakta inställningar av exponeringstider och ljusintensiteter direkt i programvaranNETZSCH Proteus^® . Omnicure -systemet erbjuder dessutom ett brett utgångsspektrum, som kan anpassas med bandbegränsande filter om specifika våglängder behövs för en applikation.

Hur man mäter UV- och termisk härdning med en NETZSCH Photo-DSC

Hela studien finns här, men här presenteras ett exempel på en mätning inklusive analys.

För de genomförda experimenten användes det kompletta spektrumet för instrumentet OmniCure^®. På grund av det konstanta avståndet på 20 mm mellan ljusutgången och provet uppstår en intensitetsförlust. Därför används en omvandlingsfaktor för att justera för förlusten. För att uppnå den ljusintensitet på cirka 9 ^mW/cm2 som förekommer i 3D-skrivaren användes en inställning på 0,5 ^W/cm2 i programvaran.

För varje mätning utförs UV-exponeringen vid 30°C under ett 5 minuter långt IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermiskt segment. Därefter värms provet upp till 120°C med en uppvärmningshastighet på 3 K/min och hålls konstant i 10 minuter för att säkerställa att härdningen är klar, innan det kyls ned till 30°C igen.

Alla mätförhållanden sammanfattas i följande tabell:

Tabell 1: Mätförhållanden

I figur 1 visas resultatet av UV-härdningen och den efterföljande termiska härdningen. I början av det isotermiska segmentet exponeras provet i 6,8 s och den resulterande exotermiska entalpin uppmäts till 78,4 J/g. Under det följande uppvärmningssteget sker den termiska härdningen av provet och den är redan avslutad när sluttemperaturen på 120°C har uppnåtts.

Detta kan bättre observeras i figur 2, där avvikelsen från baslinjen markeras. Man kan se att den exotermiska entalpin på grund av den termiska härdningen är 20,89 J/g.

Under UV-exponering måste den uppmätta energin som genereras av rent ljus korrigeras. Av den anledningen upprepas UV-exponeringen på det fullt härdade hartsprovet och entalpiökningen mäts. Resultatet visas i figur 3. Den blå kurvan visar den inledande mätningen (se figur 1) och den svarta kurvan visar entalpin för UV-exponeringen av det helt härdade hartset. Med hjälp av subtraktionsfunktionen i Proteus^® programvaran beräknas den korrigerade entalpin och visualiseras som den gröna kurvan. Den exotermiska entalpin efter korrigering är 70,29 J/g.

Rätt balans är viktigt

Detta exempel visar att med en exponeringstid på 6,8 s sker merparten av härdningen under UV-exponeringen jämfört med den termiska härdningen (21 J/g). Man kan se att kombinationen av en Photo-DSC och konventionell DSC-funktionalitet kan analysera sådana komplexa materialsystem. Den fullständiga studien visar att lägre exponeringstider förskjuter denna ration i motsatt riktning: vid låg exponeringstid bildas majoriteten av tvärbindningarna under det termiska härdningssteget.

Författarna kombinerade dessa resultat med mekaniska tester på proverna och kunde dra slutsatsen att ju mer 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 som skedde på grund av UV-ljusexponering, desto starkare blev de resulterande delarna (se figur 4).

Detta indikerar att den termiska tvärbindningen beror på det tidigare bildade nätverket under UV-exponering. Författarna fann dock också att om mängden tvärbindningar från termisk 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 blir för låg kan försprödning uppstå och därmed kan den mekaniska prestandan i sin tur också reduceras. Hela studien kan läsas här!

Källa och anknytningar

1] Obst, P.^a, Riedelbauch, J.^a, Oehlmann, P.^a, Rietzel, D.^a, Launhardt, M.^c, Schmölzer, S.^d, Osswald, T.A.^e och Witt, G.^b (2020): Undersökning av exponeringstidens inverkan på den dubbelhärdande reaktionen hos RPU 70 under DLS-processen och de resulterande mekaniska delegenskaperna. Additive Manufacturing Volume 32. https://doi. org/10.1016/j.addma.2019.101002

^aBMWGroup, Additive Manufacturing Center, München, Tyskland, ^bInstitutetför produktionsteknik, University Duisburg - Essen, Duisburg, Tyskland, ^cInstitutetför polymerteknik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Tyskland, ^dNETZSCH GmbH & Co. KG, Selb, Tyskland, ^ePolymerEngineering Center, Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706 USA

Fler undersökningar av dubbelhärdande hartser med NETZSCH Photo-DSC

Undersökning av dubbelhärdande hartser för digital ljussyntes (DLS) med Photo-DSC 204 F1 Phoenix^®

Fotopolymerer som används i Additive Manufacturing-tekniken Digital Light Synthesis (DLS) är utmanande material. Hittills är lite känt om konsekvenserna av ökade temperaturer, t.ex. på grund av högre rumstemperaturer. En forskningsrapport syftar till att undersöka temperaturernas inverkan på sådana dubbelhärdande hartser och visar att Photo-DSC är mest effektivt för att spåra den termiska omvandlingen samt för Identify optimala exponeringstider.

Hur Photo-DSC förbättrar testprotokollen för vätskeprover för additiv tillverkning

Fotopolymerer har fått ökad betydelse inom många branscher. Digital Light Synthesis (DLS), en teknik för additiv tillverkning, är ett utmärkt exempel på användningen av fotopolymerer. Läs mer om varför NETZSCH Photo-DSC är en beprövad metod för att optimera processen för additiv tillverkning.