Анализ комплекса свойств фотополимерного материала для DLP/LCD аддитивной технологии



П.А. Петров1*, А.В. Бушланова1, М.А. Гапыржанов1, Н.С. Шмакова2, И.А. Чмутин2

1  Московский политехнический университет, г. Москва, Россия

2 Технологический центр коллективного пользования АО «Технопарк Слава», г. Москва, Россия

e-mail *petrov_p@mail.ru

 

 

Фотополимеризация в ванне (англ. — VAT-photopolymerization) — процесс аддитивного производства, в котором жидкий либо пастообразный фотоотверждаемый полимерный материал выборочно полимеризуется в ванне световым излучением (ГОСТ Р 57558‑2017, ГОСТ Р 57589‑2017). За период с 1984 по 2024 г. количество патентов на совершенствование, модификацию и применение процесса «фотополимеризация в ванне» увеличилось и составляет более шести тысяч. Первая технология, относящаяся к данной группе, — селективная лазерная стереолитография (Stereolithography Apparatus, SLA), запатентованная в 1984 г. (патент US4575330). Модификация технологии SLA привела к тому, что вместо лазерного луча отверждение фотополимерного материала обеспечивается за счет направленного потока света длиной волны в диапазоне от 385 до 410 нм (рис. 1). В случае применения в качестве источника света проекционной системы на основе DMD-матрицы технология 3D-печати получила название DLP (Digital Light Processing — цифровая обработка света); эта технология подобна технологии масочной стереолитографии ( Solid Ground Curing, SGC), появившейся в 1986 году (патент US5031120A, EP0250121B1, US5139338A). Разработчик и производитель оборудования для технологии SGC — компания Cubital Ltd. В последующем, после закрытия компании Cubital Ltd, большая часть интеллектуальной собственности перешла в компанию Object Geometries Ltd.

 

Рис. 1. Схема рабочей области оборудования для реализации процесса DLP/LCDРис. 1. Схема рабочей области оборудования для реализации процесса DLP/LCD

 

Технологию DLP активно развивают компании – ­производители оборудования примерно с середины 2000‑х годов. Конкурирующая с ней технология — LCD (Liquid Crystal Display — матрица на жидких кристаллах, ЖК-матрица); в основе проекционной системы — LCD-матрица.

Таким образом, различия между технологиями SLA, DLP, LCD связаны со следующим:

— SLA предполагает применение УФ-лазеров в качестве источника излучения для отверждения фотополимерного материала;

— DLP предполагает применение проекционной системы с DMD-матрицей для формирования источника излучения;

— LCD предполагает применение проекционной системы с LCD-матрицей для формирования источника излучения.

Формализованная модель технологического процесса фотополимерной 3D-печати показана на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Модель технологии «фотополимеризация в ванне» (DLP/LCD)Рис. 2. Модель технологии «фотополимеризация в ванне» (DLP/LCD)

 

На этапе конструирования формируется перечень требований, которым при эксплуатации должно соответствовать изделие. При разработке технологического процесса 3D-печати может учитываться температурный интервал обработки выбранного материала, принятого для изготовления изделия. Известны технические решения в области DLP/LCD-3D-принтеров, обеспечивающие подогрев фотополимерного материала для уменьшения его вязкости при формировании изделия. При выполнении операции «3D-печать» (рис. 2) в обрабатываемом материале происходят физико-­химические процессы, управление которыми позволяет получать бездефектное изделие, соответствующее требованиям, сформулированным конструктором.

Интересно отметить, развитие технологий, относящихся к категории «фотополимеризация в ванне», сопровождается совершенствованием фотополимерных материалов с учетом потребительских требований. 

Например, компания Anycubic совершенствует материалы серии Standard, усиливая потребительские характеристики  (рис. 3). В приведенном на рис. 3 примере производитель ориентируется на две характеристики — отсутствие запаха (low odor) и высокое сопротивление на изгиб (bending resistance).

 

Рис. 3. Сравнение усовершенствованных материалов с предыдущим поколением Рис. 3. Сравнение усовершенствованных материалов с предыдущим поколением 

 

Технология DLP/LCD предполагает изменение набора параметров настройки отверждения материала. Далее на примере нескольких фотополимерных материалов (Anycubic ABS like + Translucent green, Anycubic Standard Clear v2) будут показаны параметры настройки для LCD-3D-принтера — Anycubic Photon Mono.

Электрические свой­ства характеризуют способность материала проводить электрический ток и поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Поскольку эти две способности независимы друг от друга, поведение изотропного материала в электрическом поле характеризуется двумя независимыми свой­ствами.

Для описания взаимодействия полимерных диэлектриков с электрическим полем и оценки качества диэлектрика в научной литературе используется пара параметров (диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери). В технической литературе и в инженерных расчетах вместо диэлектрических потерь используют другую характеристику — тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ), который определяется как отношение относительной диэлектрической проницаемости к диэлектрическим потерям. Это связано с тем, что в течение многих лет tg δ можно было измерить гораздо проще, чем диэлектрические потери, и получить оценку качества материала в качестве диэлектрика. Показатель tg δ характеризует потери энергии электрического поля, рассеиваемой в электроизоляционном материале. В идеальном диэлектрике без потерь 

tg δ = 0. Чем больше tg δ диэлектрика, тем сильнее он нагревается в переменном электрическом поле, а значит, менее приемлем в качестве изолятора.

Диэлектрическая проницаемость, в свою очередь, также может рассматриваться как показатель качества изделия, изготовленного с применением аддитивной технологии [1]. При наличии в изготовленном 3D-печатном изделии несплошностей (поры, пустоты, характеризующие стиль заполнения при 3D-печати, дефекты структуры) значение диэлектрической проницаемости изменяется.

Реологические свой­ства зависят от технологических свой­ств полимерного материала и характеризуют способность полимерного материала деформироваться в расплавленном состоянии под воздействием внешних сил. Характер течения полимера зависит также от структуры, формируемой к моменту приложения внешней нагрузки. Для фотополимерного материала деформация оказывается необратимой. Однако в случае 3D-печати фотополимерным материалом, воспроизводящим свой­ства силиконов и полиуретанов, деформация может включать упругую составляющую, приводящую к искажению геометрических размеров изделия в процессе и по окончании 3D-печати.

Технологические свой­ства определяют состав и перерабатываемость полимера в изделие. Температура стеклования и молекулярная масса чувствительны к составу полимера; перерабатываемость определяется температурно-­скоростным режимом обработки и параметрами режима 3D-печати, относящимися к оборудованию, реализующему DLP- либо LCD-технологию.

Термические (теплофизические) свой­ства характеризуют способность полимерного материала изменять свои физические характеристики, зависящие от температуры, определяют возможность и параметры его переработки в изделие, а также свой­ства полимерного изделия в процессе его эксплуатации. К таким свой­ствам, например, могут быть отнесены механические свой­ства. Одной из существенных характеристик является температура стеклования. Для фотополимерных материалов для 3D-печати по технологии «фотополимеризация в ванне» эффект стеклования наблюдается в минусовой области температур по шкале Цельсия.

Механические свой­ства определяют качество изделия и характеризуют способность материала изделия воспринимать внешнюю нагрузку без нарушения его сплошности. К ним относят предел текучести, предел прочности (временное сопротивление), твердость, относительное удлинение. Механические свой­ства чувствительны к изменению теплофизических свой­ств и, соответственно, технологических, реологических и электрических свой­ств.

В последнее время появилось большое количество работ, в которых исследуются свой­ства изделий из фотополимерных и термопластичных материалов, главным образом механические, полученных с помощью 3D-печати при различных режимах печати и способах постобработки. Работ, в которых исследуются электрические свой­ства, значительно меньше [2–10].

В данной статье приводится оценка свой­ств фотополимерных материалов, отличающихся друг от друга по температуре стеклования и динамической вязкости, — электрических свой­ств (диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь) и механических свой­ств. Результаты наших исследований позволят расширить данные о свой­ствах современных фотополимерных материалов, применяемых для LCD-печати.

В таблице 1 показаны характеристики исследуемых материалов. Измерения проведены в исходном, неотвержденном состоянии фотополимерных материалов. Исключение составляет твердость по Шору, измеренная на образцах, изготовленных по технологии LCD-печати.

 

 

Определение температуры стеклования выполнено методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с применением прибора компании Mettler Toledo. По результатам испытания определена средняя температура стеклования. Режим проведения опыта по методу ДСК: нагрев в диапазоне от –120 °C до 100 °C со скоростью 20 °C/мин в среде N2.

Динамическая вязкость определялась методом ротационной реометрии с применением реометра Physica MCR301 (Anton Paar; компания «Аврора», г. Москва). Рабочий узел конус – ­плоскость, с диаметром конуса 50 мм, угол конусности 1°. Испытания проводились в условиях стационарного течения в режиме сканирования по температуре в диапазоне 25–55 °C. Скорость нагревания 2 °C/мин, постоянная скорость сдвига 20 с — 1 (для образцов Anycubic Standard Clear v2, Anycubic ABS-like + Translucent Green) и 50 с —1 (для образцов eSun Standard Clear, Phrozen Aqua-­Clear, Phrozen ABS-like-­Creamy White).

Образцы для определения электрических свой­ств изготавливали в форме диска с размерами: диаметр 20,0 мм и толщина 1,0 мм. В таблице 2 представлено описание параметров, характеризующих режим 3D-печати образцов для испытания электрических свой­ств.

 

 

Диэлектрическая проницаемость фотополимерных материалов образцов после их обработки по LCD-технологии 3D-печати может быть оценена методом широкодиапазонной диэлектрической спектроскопии с использованием прецизионного измерителя LRC в диапазоне частот от 20 Гц до 5 МГц. Внешний вид образцов показан на рис. 4, из каждого материала изготавливали по шесть образцов.

 

Рис. 4. Внешний вид образцов для испытания

 

б) Anycubic ABS-like + Translucent Green

 

Рис. 4. Внешний вид образцов для испытания

 

а) Anycubic Standard Clear v2

 

Рис. 4. Внешний вид образцов для испытания

 

В соответствии с ГОСТ 22372‑77 характеристическими значениями частоты, для которой оценивается диэлектрическая проницаемость, являются: 100 Гц, 1 кГц, 100 кГц, 1 МГц. Далее проанализируем полученные результаты и их сопоставимость со значением диэлектрической проницаемости полимерных материалов-­аналогов.

 

Результаты и обсуждение 

 

В таблице 3 представлены расчетные значения диэлектрической проницаемости для исследованных фотополимеров; в таблице 4 — значения тангенса tg δ.

Полученные значения диэлектрической проницаемости для каждого из фотополимерных материалов показывают взаимосвязь с частотой электрического поля. Увеличение частоты приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости (см. таблицу 3).

 

 

Определение механических свойств (предел прочности; относительное удлинение) выполнено методом растяжения образцов. Форма и размеры образцов (тип А12, ГОСТ 11262-2017 и ГОСТ 33693-2015) представлены в таблице 5.

 

 

Испытания на растяжение проводились на универсальной испытательной установке «Tinius Olsen 50ST» двухколонного типа с максимальной нагрузкой 50 кН (5000 кгс). До начала испытаний замерялось при помощи штангенциркуля поперечное сечение каждого образца исследуемого материала; после установки и закрепления каждого образца в захваты испытательной установки – расстояние между захватами; в процессе проведения испытаний регистрировали текущее значение силы растяжения и величину перемещения активного захвата испытательной установки. В результате автоматической обработки данных об испытании определялись значения предела прочности и относительное удлинение (таблица 6).

 

 

Выводы

 

1. Выполненные в данной работе исследования показали, что диэлектрическая проницаемость большинства образцов, изготовленных с использованием 3D-печати по технологии LCD, практически не отличается от свой­ств образцов, изготовленных традиционными методами.

2. Сходство значений диэлектрической проницаемости исследуемых фотополимеров (таблица 3) может свидетельствовать о сплошности образцов, изготовленных по технологии LCD.

3. Сходство значений температуры стеклования исследуемых фотополимеров (таблица 1) не может являться однозначным показателем, определяющим комплекс прочих свойств. Исследуемые материалы характеризуются динамической вязкостью, различающейся примерно в два раза при комнатной температуре. Это, возможно, приводит к несколько различным настройкам 3D-печати (время засветки и скорость подъема, см. таблицу 2). Влияние температуры стеклования на механические свойства возможно сопоставить, ориентируясь на полученные значения (см. таблицу 6). Материал с большей вязкостью характеризуется более высоким значением диэлектрической проницаемости, предела прочности (см. таблицу 1 и 6) и, соответственно, меньшим значением относительного удлинения. 

4. Тангенс угла диэлектрических потерь исследованных в данной работе фотополимеров практически не изменяется при увеличении частоты электрического поля (таблица 4).

5. Величины тангенса угла диэлектрических потерь, полученные в данной работе, варьируются  от 0,01 до 0,024, что свидетельствует о том, что все исследуемые материалы являются диэлектриками и могут использоваться для изготовления электроизоляционных изделий, предназначенных для работы в слабых и средних электрических полях. Изделия, изготовленные из исследуемого фотополимера Anycubic ABS-like+ с использованием 3D-печати по технологии LCD, могут заменить изделия, изготавливаемые из ABS-пластика по классической технологии.

6. Полученные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь могут быть использованы для выбора материала при проектировании изделий и их последующего изготовления из исследованных фотополимеров с применением LCD аддитивной технологии. ■

 

Литература

 

1. Вивтоненко А.С., Таксимбаева Д.А., Петров П.А., Шмакова Н.С., Чмутин И.А. Контроль пористости формообразующего инструмента из СБС-пластика // Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 8. С. 680–686.

2. Chaudhary, R., Fabbri, P., Leoni, E., Mazzanti, F., Akbari, R., Antonini, C.: Additive manufacturing by digital light processing: a review // Progress in Additive Manufacturing. 2023. 8 (2). 331‑351. doi: 10.1007/s40964‑022‑00336‑0.

3. Taormina G., Sciancalepore C., Messori M., Bondioli F. 3D printing processes for photocurable polymeric materials: technologies, materials, and future trends // Journal of Applied Biomaterials and Functional Materials. 2018. 16 (3). 151–160. doi: 10.1177/2280800018764770.

4. Swetha S., Sahiti T. J., Priya G. S. et al. Review on digital light processing (DLP) and effect of printing parameters on quality of print // Interactions. 2024, 245 (178). doi: 10.1007/s10751‑024‑02018‑5.

5. Malas A., Isakov D., Couling K., Gibbons G.J. Fabrication of High Permittivity Resin Composite for Vat Photopolymerization 3D Printing: Morphology, Thermal, Dynamic Mechanical and Dielectric Properties // Materials (Basel). 2019, 12, 3818. doi: 10.3390/ma12233818.

6. Huang P., Fu H., Tan M. W.M., Jiang Y., Lee P. S. Digital Light Processing 3D-Printed Multilayer Dielectric Elastomer Actuator for Vibrotactile Device // Adv. Mater. Technol. 2024, 9, 2301642. doi: 10.1002/admt.202301642.

7. Monkevich J.M., Le Sage, G. P. Design and Fabrication of a Custom-­Dielectric Fresnel Multi-­Zone Plate Lens Antenna Using Additive Manufacturing Techniques // IEEE Access. 2019, 7, 61452‑61460. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2916077.

8. Wu Y., Isakov D., Grant P. S. Fabrication of Composite Filaments with High Dielectric Permittivity for Fused Deposition 3D Printing // Materials. 2017, 10, 1218. doi: 10.3390/ma10101218.

9. Fu Y., Li W., Xu M., Wang Ch., Zhang L., Zhang G. Dielectric Properties and 3D-Printing Feasibility of UV‑Curable Resin/Micron Ceramic Filler Composites // Advances in Polymer Technology. 2022, 15, 1‑14. doi: 10.1155/2022/9483642.

10. Tsolakis, I.A.; Papaioannou, W.; Papadopoulou, E.; Dalampira, M.; Tsolakis, A. I. Comparison in Terms of Accuracy between DLP and LCD Printing Technology for Dental Model Printing // Dent. J. 2022, 10, 181. doi: 10.3390/dj10100181.

11. Вивтоненко А.С., Таксимбаева Д. А., Петров П. А., Шмакова Н. С., Чмутин И. А. Электрические свой­ства СБС-пластика после 3D-печати по экструзионной технологии // Аддитивные технологии. 2023. № 3. С. 24–27.

12. Поляков К.А., Баранов Т. В., Булич И. Ю., Петров П. А., Шмакова Н. С., Чмутин И. А. Электрические свой­ства ТПУ-пластика после 3D-печати по экструзионной технологии // Аддитивные технологии. 2024. № 2. С. 58–65.

13. Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов [электронное издание] URL: https://rusautomation.ru/articles/dielektricheskaya-­pronitsaemost/

14. АБС-пластик [электронное издание] URL: https://nvph.ru/abs-plastik/

15. Энциклопедия Полимеров. Ред. коллегия: В.А. Каргин и др. Т. 3 — М., «Советская Энциклопедия», 1974. С. 581.

16. Референсные значения тангенса угла диэлектрических потерь наиболее часто применяемых диэлектриков [электронное издание] URL: https://test-energy.ru/tangens-ugla-dielektricheskih-­poter/

17. Электронный справочник: Значения тангенса угла диэлектрических потерь tg δ некоторых полярных полимеров при 20 °C [электронное издание] URL: https://www.chemport.ru/data/data254.shtml

18. Электрические свой­ства полимерных материалов [электронное издание] URL: https://radioprog.ru/post/663

19. Нейлон, Полиамид 66 что это? [электронное издание] URL: https://r-meister.ru/info/nejlon-­poliamid‑66/

20. Шевелев А.В., Михайлова О.В. Разделение воска и меда, с учетом диэлектрических характеристик // Научный электронный журнал «Меридиан». 2020, выпуск № 13(47). С. 1–9.

21. О заливочных компаундах [электронное издание] URL: https://alet.pro/blog/o-zalivochnyh-­kompaundah/

 

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 4-2024

Теги: 

Анализ комплекса свойств фотополимерного материала для DLP/LCD аддитивной технологии, Фотополимеризация в ванне, 3D-печать, журнал "Аддитивные технологии" № 4-2024

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru