МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТВЕРЖДЕНИЯ ФОТОПОЛИМЕРА
Сведения об авторе
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Российская Федерация
Аннотация
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.
Ключевые слова
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.
Keywords
Литература
- 1.Huang, J. A review of stereolithography: Processes and systems / J. Huang, Q. Qin, J. Wang // Processes. – 2020. – Vol. 8, no. 9. – P. 1138. Scholar
- 2.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. Scholar
- 3.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. Scholar
- 4.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. Scholar
- 5.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. Scholar
- 6.Vat photopolymerization processes / I. Gibson [et al.] // Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing. – 2015. – P. 63–106. Scholar
- 7.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. Scholar
- 8.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. Scholar
- 9.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. Scholar
- 10.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. Scholar
- 11.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. Scholar
- 12.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. Scholar
- 13.Stereolithography cure process modeling using acrylate resin / Y. Tang [et al.] // 2004 International Solid Freeform Fabrication Symposium. – 2004. Scholar
- 14.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. Scholar
- 15.Lee, J.H. Cure depth in photopolymerization: Experiments and theory / J.H. Lee, R.K. PrudHomme, I.A. Aksay // Journal of Materials Research. – 2001. – Vol. 16, no. 12. – P. 3536–3544. Scholar
- 16.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. Scholar
- 17.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. Scholar
- 18.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. Scholar
- 19.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. Scholar
- 20.Residual stresses near the free edge of composite materials / B.N. Fedulov [et al.] // Acta Mechanica. – 2022. – Vol. 233, no. 2. – P. 417–435. Scholar
- 21.Lomakin, E.V. Influence of manufacturing shrinkage and microstructural 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. Scholar
- 1.Huang, J., Qin, Q. and Wang, J., 2020. A review of stereolithography: Processes and systems. Processes, 8(9), p.1138. Scholar
- 2.Bychkov, P.S., Kozintsev, V.M., Manzhirov, A.V. and Popov, A.L., 2017. Determination of residual stresses in products in additive production by the layer-by-layer photopolymerization method. Mechanics of Solids, 52, pp.524-529. Scholar
- 3.Bugeda, G., Cervera, M., Lombera, G. and Onate, E., 1995. Numerical analysis of stereolithography processes using the finite element method. Rapid Prototyping Journal, 1(2), pp.13-23. Scholar
- 4.Huang, Y.M. and Jiang, C.P., 2003. Curl distortion analysis during photopolymerisation of stereolithography using dynamic finite element method. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 21, pp.586-595. Scholar
- 5.Chockalingam, K., Jawahar, N. and Chandrasekhar, U., 2006. Influence of layer thickness on mechanical properties in stereolithography. Rapid Prototyping Journal, 12(2), pp.106-113. Scholar
- 6.Ian Gibson, I.G., 2015. Additive manufacturing technologies 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing. Scholar
- 7.Huang, Y.M., Kuriyama, S. and Jiang, C.P., 2004. Fundamental study and theoretical analysis in a constrained-surface stereolithography system. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 24, pp.361-369. Scholar
- 8.Huang, Y.M. and Lan, H.Y., 2005. CAD/CAE/CAM integration for increasing the accuracy of mask rapid prototyping system. Computers in Industry, 56(5), pp.442-456. Scholar
- 9.Huang, Y.M., Jeng, J.Y. and Jiang, C.P., 2003. Increased accuracy by using dynamic finite element method in the constrain-surface stereolithography system. Journal of Materials Processing Technology, 140(1-3), pp.191-196. Scholar
- 10.Huang, Y.M. and Jiang, C.P., 2003. Numerical analysis of a mask type stereolithography process using a dynamic finite-element method. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 21, pp.649-655. Scholar
- 11.Huang, Y.M. and Lan, H.Y., 2006. Compensation of distortion in the bottom exposure of stereolithography process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 27, pp.1101-1112. Scholar
- 12.Jiang, C.P., Huang, Y.M. and Liu, C.H., 2006. Dynamic finite element analysis of photopolymerization in stereolithography. Rapid Prototyping Journal, 12(3), pp.173-180. Scholar
- 13.Tang, Y., Henderson, C.L., Muzzy, J. and Rosen, D.W., 2004, September. Stereolithography cure process modeling using acrylate resin. In 2004 International Solid Freeform Fabrication Symposium. Scholar
- 14.Sun, C., Fang, N., Wu, D.M. and Zhang, X., 2005. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical, 121(1), pp.113-120. Scholar
- 15.Lee, J.H., Prud'Homme, R.K. and Aksay, I.A., 2001. Cure depth in photopolymerization: Experiments and theory. Journal of Materials Research, 16(12), pp.3536-3544. Scholar
- 16.Bolotin, V.V., 1972. К teorii vyazkouprugosti dlya strukturno neustoichivih materialov. Trudi Moskovskogo energeticheskogo instituta. Izd_vo MEI (101), pp.7-14. Scholar
- 17.Fedulov, B.N., 2018. Modeling of manufacturing of thermoplastic composites and residual stress prediction. Aerospace Systems, 1(2), pp.81-86. Scholar
- 18.Kulikov, R.G., Kulikova, T.G. and Smetannikov, O.Y., 2018. Numerical study of a thermomechanical behavior of a crystallizing polymer medium with regard to finite deformations. PNRPU Mechanics Bulletin, (1), pp.18-28. Scholar
- 19.Bondarchuk, D.A., Fedulov, B.N., Fedorenko, A.N. and Lomakin, E.V., 2020. Analysis of the fracture toughness parameters at the free edge in layered composites. PNRPU Mechanics Bulletin, (4), pp.49-59. Scholar
- 20.Fedulov, B.N., Bondarchuk, D.A., Fedorenko, A.N. and Lomakin, E.V., 2022. Residual stresses near the free edge of composite materials. Acta Mechanica, 233(2), pp.417-435. Scholar
- 21.Lomakin, E.V., Fedulov, B.N. and Fedorenko, A.N., 2022. Influence of manufacturing shrinkage and microstructural features on the strength properties of carbon fibers/PEEK composite material. Frattura e Integrita Strutturale, (62). Scholar
Другие статьи выпуска
Весь выпуск (№ 2, 2024)- ОБ ОДНОМ МЕТОДЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ ПОЛИМЕРОВс. 5–15
- ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ АДДИТИВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ СМОЛ НА АНИЗОТРОПИЮ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВс. 16–23
- РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛА В УСЛОВИЯХ НЕОДНОРОДНЫХ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙс. 24–32
- БОЛЬШИЕ ПРОГИБЫ, ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ И ЗАКРИТИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПОЛОГИХ ПАНЕЛЕЙ И АРОК ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ НА УПРУГОМ ОСНОВАНИИс. 33–41
- ДЕФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОЙ ПЛЕНКИ ПОСЛЕ УТЕРИ КОНТАКТА С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ ОСНОВАНИЕМ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ЕГО КРИВИЗНЫ, ПОДАТЛИВОСТИ И ДЕЙСТВИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ; ОТСЛОЕНИЕ, РАСПОЛОЖЕННОЕ В ОКРУЖНОМ НАПРАВЛЕНИИс. 42–52
- ПРЕДЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ СТАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕс. 59–68
- МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ АЭРОУПРУГОЙ СИСТЕМЫ «ТРУБОПРОВОД – ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ»с. 69–78
- МНОГОУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ ОПИСАНИЯ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ: ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛИЭДРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МАРТЕНСИТАс. 79–96
- МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОДВОДНОГО ГАЗОПРОВОДА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЗРЫВНОЙ НАГРУЗКИс. 97–104