Моделирование отверждения фотополимера
Автор: Федулов Б.Н.
Статья в выпуске: 2, 2024 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается процесс отверждения фотополимерного материала. Воздействие света на фотополимерный материал запускает в нем реакцию, которая приводит к конверсии полимерных цепочек, что, в свою очередь, имеет следствием несколько эффектов: выделение тепла и повышение температуры, отверждение или набор жесткости материала, а также появление объемной усадки. Такие процессы искажают первоначальную форму материала. При неравномерном облучении материала процессы запускаются с разной интенсивностью и определенной задержкой относительно друг друга, что влечет за собой появление остаточных напряжений. В промышленности большое распространение получила технология стереолитографии, при которой материал облучается по определённым областям, так называемым маскам, после чего неотвержденный материал удаляется. На таком эффекте поострены современные фотополимерные 3D-принтеры, которые послойно с различными масками отверждают материал. При 3D-печати отверждение верхнего слоя сопровождается большей усадкой относительно нижнего слоя, который к этому моменту имеет большую степень отверждения, что приводит к появлению остаточных напряжений. Таким образом, с появлением каждого нового слоя в детали происходит постепенное накопление остаточных напряжений. Как следствие, искажается первоначально планируемая форма изделия и происходит потеря прочностных характеристик. Остаточные напряжения, реализуемые в процессе печати, могут превзойти прочность материала, что зачастую приводит к резкому росту трещин и растрескиванию печатаемой конструкции. В данном исследовании предлагается модель фотополимерного материала и алгоритм действий по моделированию отверждения. Рассматривается процесс стереолитографии на основе воздействия подвижного лазера. Приводится сравнение с экспериментом.
Фотополимер, отверждение, усадка, остаточные напряжения, стереолитография, моделирование технологических процессов, 3d-печать, аддитивные технологии
Короткий адрес: https://sciup.org/146282916
IDR: 146282916 | УДК: 531.8 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.2.06
Modeling of photopolymer curing
The paper considers the process of curing a photopolymer material. The effect of light on a photopolymer material triggers a reaction that leads to the conversion of polymer chains, which leads to the release of heat and an increase of temperature, solidification or an increase of stiffness of the material, and is also accompanied by a volumetric shrinkage. Such processes cause the distortion of the initial shape of the material. With nonuniform irradiation of the material, the processes are initiated with different intensities and a certain delay causing residual stresses. Stereolithography technology has become widespread in industry, in which the material is irradiated in certain areas, the so-called masks, after which the uncured material is removed. Modern photopolymer 3D printers are focused on this effect, which cures the material in layers with various masks. In 3D printing, the curing of the upper layer is accompanied by a higher shrinkage relative to the lower one, which by this time has a higher degree of curing leading to residual stresses. Thus, each new layer in a produced part initiates a gradual accumulation of residual stresses. As a result, there is a distortion of the originally planned shape of the product and a loss of strength characteristics. Residual stresses realized during the printing process can exceed the strength of the material, which often leads to a rapid increase in cracks and damage of the printed structure. This study proposes a model of a photopolymer material and an algorithm for modeling curing. It considers the process of stereolithography based on the action of a movable laser. A comparison with the experiment is given.
Список литературы Моделирование отверждения фотополимера
- Huang, J. A review of stereolithography: Processes and systems / J. Huang, Q. Qin, J. Wang // Processes. - 2020. - Vol. 8, no. 9. - P. 1138.
- Determination of residual stresses in products in additive production by the layer-by-layer photopolymerization method / P.S. Bychkov [et al.] // Mechanics of Solids. - 2017. - Vol. 52. -P. 524-529.
- Numerical analysis of stereolithography processes using the finite element method / G. Bugeda [et al.] // Rapid Prototyping Journal. - 1995. - Vol. 1, no. 2. - P. 13-23.
- Huang, Y.M. Curl distortion analysis during photopolymerisation of stereolithography using dynamic finite element method / Y.M. Huang, C.P. Jiang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2003. - Vol. 21. - P. 586-595.
- Chockalingam, K. Influence of layer thickness on mechanical properties in stereolithography / K. Chockalingam, N. Jawahar, U. Chandrasekhar // Rapid Prototyping Journal. - 2006. - Vol. 12, no. 2. - P. 106-113.
- Vat photopolymerization processes / I. Gibson [et al.] // Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing. - 2015. - P. 63-106.
- Huang, Y.M. Fundamental study and theoretical analysis in a constrained-surface stereolithography system / Y.M. Huang, S. Kuriyama, C.P. Jiang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2004. - Vol. 24. - P. 361-369.
- Huang, Y.M. CAD/CAE/CAM integration for increasing the accuracy of mask rapid prototyping system / Y.M. Huang, H.Y. Lan // Computers in Industry. - 2005. - Vol. 56, no. 5. - P. 442-456.
- Huang, Y.M. Increased accuracy by using dynamic finite element method in the constrain-surface stereolithography system / Y.M. Huang, J.Y. Jeng, C.P. Jiang // Journal of Materials Processing Technology. - 2003. - Vol. 140, no. 1-3. - P. 191-196.
- Huang, Y.M. Numerical analysis of a mask type stereolithography process using a dynamic finite-element method / Y.M. Huang, C.P. Jiang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2003. - Vol. 21. - P. 649-655.
- Huang, Y.M. Compensation of distortion in the bottom exposure of stereolithography process / Y.M. Huang, H.Y. Lan // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2006. - Vol. 27. - P. 1101-1112.
- Jiang, C.P. Dynamic finite element analysis of photopolymerization in stereolithography / C.P. Jiang, Y.M. Huang, C.H. Liu // Rapid Prototyping Journal. - 2006. - Vol. 12, no. 3. - P. 173-180.
- Stereolithography cure process modeling using acrylate resin / Y. Tang [et al.] // 2004 International Solid Freeform Fabrication Symposium. - 2004.
- Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask / C. Sun [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. - 2005. - Vol. 121, no. 1. - P. 113-120.
- Lee, J.H. Cure depth in photopolymerization: Experiments and theory / J.H. Lee, R.K. Prud'Homme, I.A. Aksay // Journal of Materials Research. - 2001. - Vol. 16, no. 12. - P. 3536-3544.
- Болотин, В.В. К теории вязкоупругости для структурно неустойчивых материалов / В.В. Болотин // Труды Московского энергетического института. Изд-во МЭИ. -1972. - № 101. - С. 7-14.
- Fedulov, B.N. Modeling of manufacturing of thermoplastic composites and residual stress prediction / B.N. Fedulov // Aerospace Systems. - 2018. - Vol. 1, no. 2. - P. 81-86.
- Куликов, Р.Г. Численное исследование термомеханического поведения кристаллизующейся полимерной среды с учетом больших деформаций / Р.Г. Куликов, Т.Г. Куликова, О.Ю. Сметанников // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2018. - № 1. - С. 18-28.
- Анализ параметров трещиностойкости на свободной границе в слоистых композитах / Д. А. Бондарчук [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2020. - № 4. - С. 49-59.
- Residual stresses near the free edge of composite materials / B.N. Fedulov [et al.] // Acta Mechanica. - 2022. - Vol. 233, no. 2. - P. 417-435.
- Lomakin, E.V. Influence of manufacturing shrinkage and micro structural features on the strength properties of carbon fibers/PEEK composite material / E.V. Lomakin, B.N. Fedulov, A.N. Fedorenko // Frattura e Integrita Strutturale. - 2022. - Vol. 62.
