МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТВЕРЖДЕНИЯ ФОТОПОЛИМЕРА

Аннотация


В работе рассматривается процесс отверждения фотополимерного материала. Воздействие света на фотополимерный материал запускает в нем реакцию, которая приводит к конверсии полимерных цепочек, что в свою очередь приводит нескольким эффектам: к выделению тепла и повышению температуры, отверждению или набору жесткости материала, а также появлению объемной усадки. Такие процессы приводят к искажению первоначальной формы материала. При неравномерном облучении материала процессы запускаются с разной интенсивностью и определенной задержкой относительно друг друга, что в свою очередь приводит к появлению остаточных напряжений. В промышленности большое распространение получила технология стереолитографии при которой материал облучается по определённым областям, так называемым маскам, после чего не отвержденный материал удаляется. На таком эффекте поострены современные фотополимерные 3д принтеры, которые послойно с различными масками отверждают материал. При 3д 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, происходит искажение первоначально планируемой формы изделия и 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 фотополмерного материала и алгоритм действий по моделированию отверждения. Рассматривается процесс стереолитографии на основе воздействия подвижного лазера. Приводится сравнение с экспериментом.

Полный текст

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.

Об авторах

Б. Н Федулов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Российская Федерация

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 20

PDF (Russian) - 8

Cited-By


PlumX


© Федулов Б.Н., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах