MODELING OF PHOTOPOLYMER CURING

Abstract


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.

Full Text

Стереолитография (SLA) - один из наиболее важных методов, используемых в процессах быстрого создания прототипов. Данная тема представляет собой большой интерес для промышленности в силу существенного экономии времени и ресурсов для создания прототипа изделия. Одной из основных проблем 3д печати на основе фотополимерных материалов является искажение формы в процессе затвердевания материала, а при печати крупногабаритных элементов и возможное разрушение из-за накопления остаточных напряжений. Данной теме посвящено довольно много работ связанных, как с моделированием химических реакций и структурных изменений, так и c процессом появления остаточных напряжений на макроуровне [1-15]. Также можно отметить работы по отверждению полимеров в целом так как подходы по моделированию довольно схожи, меняется только суть структурного изменения и химической реакции [16-21]. На данный момент общепринятого подхода к моделированию нет, что по-видимому связано с междисиплинарностью процесса отверждения. В некоторых работах рассматривается по сути алгоритм сформулированный на уровне сразу матрицы жесткости в методе конечных элементов [3-4,7-12], в других под словами моделирование отверждения имеется виду только химическая реакция [13], при этом нет уравнений сформулированных на уровне уравнений математической физики и определяющих соотношений. Данная работа посвящена построению подхода к моделированию процесса печати и отверждения фотополимерного материала с формулировкой основных уравнений.

About the authors

B. N Fedulov

Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russian Federation

References

  1. Huang J., Qin Q., Wang J. A review of stereolithography: Processes and systems //Processes. – 2020. – Т. 8. – №. 9. – С. 1138
  2. Bychkov P. S. et al. Determination of residual stresses in products in additive production by the layer-by-layer photopolymerization method //Mechanics of Solids. – 2017. – Т. 52. – С. 524-529
  3. Bugeda G. et al. Numerical analysis of stereolithography processes using the finite element method //Rapid Prototyping Journal. – 1995. – Т. 1. – №. 2. – С. 13-23
  4. Huang Y. M., Jiang C. P. Curl distortion analysis during photopolymerisation of stereolithography using dynamic finite element method //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2003. – Т. 21. – С. 586-595
  5. Chockalingam K., Jawahar N., Chandrasekhar U. Influence of layer thickness on mechanical properties in stereolithography //Rapid Prototyping Journal. – 2006. – Т. 12. – №. 2. – С. 106-113
  6. Gibson I. et al. Vat photopolymerization processes //Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing. – 2015. – С. 63-106
  7. Huang Y. M., Kuriyama S., Jiang C. P. Fundamental study and theoretical analysis in a constrained-surface stereolithography system //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2004. – Т. 24. – С. 361-369
  8. Huang Y. M., Lan H. Y. CAD/CAE/CAM integration for increasing the accuracy of mask rapid prototyping system //Computers in Industry. – 2005. – Т. 56. – №. 5. – С. 442-456
  9. Huang Y. M., Jeng J. Y., Jiang C. P. Increased accuracy by using dynamic finite element method in the constrain-surface stereolithography system //Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Т. 140. – №. 1-3. – С. 191-196
  10. Huang Y. M., Jiang C. P. Numerical analysis of a mask type stereolithography process using a dynamic finite-element method //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2003. – Т. 21. – С. 649-655
  11. Huang Y. M., Lan H. Y. Compensation of distortion in the bottom exposure of stereolithography process //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2006. – Т. 27. – С. 1101-1112
  12. Jiang C. P., Huang Y. M., Liu C. H. Dynamic finite element analysis of photopolymerization in stereolithography //Rapid Prototyping Journal. – 2006. – Т. 12. – №. 3. – С. 173-180
  13. Tang Y. et al. Stereolithography cure process modeling using acrylate resin //2004 International Solid Freeform Fabrication Symposium. – 2004
  14. Sun C. et al. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask //Sensors and Actuators A: Physical. – 2005. – Т. 121. – №. 1. – С. 113-120
  15. Lee J. H., Prud Homme R. K., Aksay I. A. Cure depth in photopolymerization: Experiments and theory //Journal of Materials Research. – 2001. – Т. 16. – №. 12. – С. 3536-3544
  16. Болотин В. В. К теории вязкоупругости для структурно неустойчивых материалов //Труды Московского энергетического института. Изд-во МЭИ. – 1972. – №. 101. – С. 7-14
  17. Fedulov B. N. Modeling of manufacturing of thermoplastic composites and residual stress prediction //Aerospace Systems. – 2018. – Т. 1. – №. 2. – С. 81-86
  18. Куликов Р. Г., Куликова Т. Г., Сметанников О. Ю. Численное исследование термомеханического поведения кристаллизующейся полимерной среды с учетом больших деформаций //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2018. – №. 1. – С. 18-28
  19. Бондарчук Д. А. и др. Анализ параметров трещиностойкости на свободной границе в слоистых композитах //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – №. 4. – С. 49-59
  20. Fedulov B. N. et al. Residual stresses near the free edge of composite materials //Acta Mechanica. – 2022. – Т. 233. – №. 2. – С. 417-435
  21. Lomakin E. V., Fedulov B. N., Fedorenko A. N. Influence of manufacturing shrinkage and microstructural features on the strength properties of carbon fibers/PEEK composite material //Frattura e Integrita Strutturale. – 2022. – №. 62

Statistics

Views

Abstract - 27

PDF (Russian) - 16

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Fedulov B.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies