3D ispis se posljednjih desetljeća pojavio kao revolucionarna tehnologija, transformirajući proizvodne procese u raznim industrijama. Od automobilske do zrakoplovne industrije, medicinske do robe široke potrošnje, 3D ispis nudi neusporedivu fleksibilnost, preciznost i učinkovitost u stvaranju složenih geometrija. Kako potražnja za naprednim materijalima prikladnim za 3D ispis nastavlja rasti, istraživači i formulatori materijala neprestano istražuju nove polimere i funkcionalne aditive s poboljšanim svojstvima. Jedan takav materijal koji je privukao značajnu pozornost je hidrogenirana DCPD smola. Kao vodeći dobavljač hidrogenirane DCPD smole, uzbuđeni smo što možemo istražiti ulogu ovog inovativnog materijala u području 3D ispisa.
Razumijevanje hidrogenirane DCPD smole
Prije nego što istražimo njegovu primjenu u 3D ispisu, prvo shvatimo što je hidrogenirana DCPD smola. DCPD ili diciklopentadien je visoko reaktivan ciklički dien koji se obično dobiva iz procesa krekiranja nafte. Hidrogenirana DCPD smola proizvodi se katalitičkim hidrogeniranjem DCPD smole, procesom koji zasićuje nezasićene dvostruke veze u strukturi polimera. Ovaj proces hidrogenacije daje smoli nekoliko poželjnih svojstava, uključujući izvrsnu oksidativnu stabilnost, vrhunsku otpornost na UV zračenje, prozirnost poput vodene bijele boje i visoku točku omekšavanja (obično 100°C–140°C).
Hidrogenirana DCPD smola poznata je po svojoj izvrsnoj kompatibilnosti sa širokim rasponom termoplastičnih polimera, elastomernih blok kopolimera i sastojaka hidrofobnih formulacija, što je čini svestranim modifikatorom za različite primjene. Naširoko se koristi u topivim ljepilima, ljepilima osjetljivim na pritisak, specijaliziranim premazima, mješavinama gume i modificiranju polimera, gdje njegova jedinstvena kombinacija niske molekularne težine i toplinske stabilnosti poboljšava fluidnost obrade i performanse krajnjeg proizvoda.
Važno je pojasniti da je hidrogenirana DCPD smola termoplastična smola koja povećava ljepljivost, a ne smola koja se može stvrdnuti foto. Za razliku od SLA/DLP smola za 3D ispis koje se podvrgavaju kemijskoj fotopolimerizaciji nakon izlaganja UV zračenju, hidrogenirana DCPD smola sama po sebi nema sposobnost UV stvrdnjavanja. Njegova uloga u 3D ispisu je primarno kao funkcionalni modifikator ili procesni dodatak - ne kao samostalan materijal za matricu ispisa.
Uloga hidrogenirane DCPD smole u materijalima za 3D ispis
Primjena hidrogenirane DCPD smole u 3D ispisu bitno se razlikuje od one fotostvrdnjavajućih monomera. Umjesto da služi kao primarni građevinski materijal, hidrogenirana DCPD smola funkcionira kao funkcionalni aditiv visokih performansi koji poboljšava tijek obrade, dimenzionalnu stabilnost i međuslojne performanse postojećih sustava materijala za 3D ispis. Njegova niska molekularna težina, izvrsna toplinska otpornost i jedinstvena cikloalifatska struktura čine ga posebno učinkovitim u svim glavnim tehnologijama 3D ispisa:
Modeliranje taloženog taloženja (FDM) - Kao modifikator toka taline i relaksacije naprezanja, hidrogenirana DCPD smola može se spojiti u termoplastične filamente kao što su PLA, ABS i PP uz preporučene razine dodavanja od 3%–12%. Smanjuje viskoznost taline, uglađuje protok ekstruzije i proširuje raspon temperature obrade. Istraživanje mješavina polipropilena/ugljikovodičnih smola za 3D ispis ekstruzijom materijala pokazalo je da dodatak amorfnih ugljikovodičnih smola niske molekularne težine odgađa početak kristalizacije polimera, pomaže u smanjenju nakupljanja zaostalog naprezanja i poboljšava ukupnu mogućnost ispisa.
Stereolitografija (SLA) i digitalna obrada svjetla (DLP) - Kao volumetrijski aditiv za smanjenje skupljanja u kompatibilnim hidrofobnim fotostvrdnjavajućim smolama, hidrogenirana DCPD smola miješa se u preporučenim količinama od 3%–10% ukupne težine sustava. Kontrola dodavanja cikloalifatske hidrogenirane naftne smole omogućuje njezinim lancima niske molekularne težine da popune praznine slobodnog volumena između molekula matrične smole, učinkovito ublažavajući volumetrijsko skupljanje izazvano polimerizacijom tijekom UV stvrdnjavanja.
Selektivno lasersko sinteriranje (SLS) - hidrogenirana DCPD smola se istražuje kao potencijalni modifikator protoka i vlaženja za odabrane polimerne prahove niskog tališta, s ciljem poboljšanja vlaženja sloja praha i koalescencije taline tijekom laserskog sinteriranja.
Ispitajmo kako hidrogenirana DCPD smola djeluje u svakom od ovih aspekata.
Viskoznost i tečljivost
Viskoznost je ključno svojstvo koje određuje ponašanje polimera tijekom procesa 3D ispisa. Za FDM aplikacije, filamentni materijal s optimiziranom viskoznošću taline glatko teče kroz usku mlaznicu pisača, omogućujući jednoliku ekstruziju i precizno nanošenje slojeva. Suprotno tome, pretjerano visoka viskoznost taline može uzrokovati začepljenje mlaznice, protutlak i neravne linije slojeva.
Hidrogenirana DCPD smola, kao ugljikovodična smola niske molekularne težine, pokazuje izvrsna svojstva razrjeđivanja taljenja na povišenim temperaturama. Kada se spoji u PLA ili polukristalne polimerne matrice pri odgovarajućim razinama opterećenja, značajno povećava indeks tečenja taline (MFI, ASTM D1238), smanjujući okretni moment ekstruzije i minimizirajući rizik od začepljenja mlaznice. Reološke karakteristike mješavina termoplastičnih/ugljikovodičnih smola potvrdile su izraženu prirodu tih sustava koja se razrjeđuju smicanjem. Njegova potpuno zasićena cikloalifatska struktura sprječava toplinsku degradaciju i umrežavanje na visokim temperaturama ispisa, osiguravajući postojanu viskoznost taline tijekom dugih ciklusa ispisa.
Stvrdnjavanje i kontrola skupljanja
U fotostvrdnjavajućim smolastim sustavima za SLA i DLP, volumetrijsko skupljanje pri stvrdnjavanju je dobro poznati izazov koji dovodi do unutarnjeg naprezanja, savijanja dijelova i netočnosti dimenzija. Hidrogenirana DCPD smola rješava ovaj problem kao nereaktivni aditiv za smanjenje skupljanja.
Umjesto da sudjeluje u reakciji fotopolimerizacije, hidrogenirana DCPD smola funkcionira kao nereaktivna fizička komponenta koja zauzima slobodni volumen unutar polimerne matrice, pomažući u ublažavanju stresa skupljanja izazvanog polimerizacijom. Kada se ugradi u kompatibilne formulacije akrilata niske polarnosti ili hibridnih fotopolimera pri optimalnim razinama opterećenja (obično 3%–10%), njegovi kompaktni cikloalifatski lanci ispunjavaju međumolekularne praznine između reagirajućih monomernih jedinica. Ovo fizičko ograničenje smanjuje ukupnu volumetrijsku kontrakciju do koje dolazi pri stvaranju kovalentnih veza tijekom izlaganja.
Odabir molekularne težine je kritičan u ovoj primjeni. Vrste s uskom distribucijom molekularne težine nude najbolju ravnotežu performansi - osiguravaju dovoljno lančano isprepletenost za zaključavanje dimenzionalne stabilnosti bez preranog odvajanja mikrofaza ili pretjeranog usporavanja kinetike fotopolimerizacije. U kompatibiliziranim UV formulacijama, pokazalo se da dodavanje hidrogenirane DCPD smole niske molekularne težine u preporučenim razinama učinkovito smanjuje skupljanje polimerizacijom uz održavanje prihvatljivog učinka stvrdnjavanja i optičke čistoće.
Točnost dimenzija i kvaliteta ispisa
Karakteristike opuštanja naprezanja i malog skupljanja koje daje hidrogenirana DCPD smola osiguravaju da otisnuti objekti zadrže vjernu geometrijsku vjernost tijekom hlađenja ili UV naknadnog stvrdnjavanja.
U primjenama FDM-a, hidrogenirana DCPD smola poboljšava međuslojnu adheziju (performanse Z-osi) povećavajući pokretljivost polimernog lanca na rastaljenoj površini između svježe ekstrudiranih tračnica. Istraživanje je pokazalo da miješanje ugljikovodičnih smola s polukristalnim termoplastima odgađa kinetiku kristalizacije, pomaže u oslobađanju unutarnjih toplinskih naprezanja nastalih tijekom hlađenja i značajno smanjuje savijanje, uvijanje i deformaciju rubova. Ispunjavanjem mikroskopskih površinskih šupljina i raspršivanjem naprezanja toplinske kontrakcije dok se dio hladi, učinkovito smanjuje uobičajene nedostatke kao što su krivljenje uglova, podizanje kreveta i raslojavanje slojeva.
U SLA/DLP sustavima, kontrolirani dodatak hidrogenirane DCPD smole pomaže ublažiti nakupljanje unutarnjeg naprezanja skupljanja unutar zelenog dijela, sprječavajući mikropukotine u osjetljivim geometrijama i poboljšavajući konačnu dimenzijsku toleranciju.
Mehanička svojstva i toplinska stabilnost
Prilikom ocjenjivanja 3D tiskanih dijelova ključna je ravnoteža obradivosti i mehaničkog integriteta. Hidrogenirana DCPD smola, kada se koristi kao optimizirano sredstvo za obradu, pozitivno pridonosi ukupnom profilu učinka modificiranih materijala.
Zahvaljujući svojoj potpuno zasićenoj strukturi prstena, hidrogenirana DCPD smola nudi iznimnu otpornost na toplinu i oksidativnu stabilnost (pokazuje minimalnu promjenu boje do 180°C). U spojevima FDM filamenta održava krutu strukturnu strukturu osnovnih polimera dok poboljšava homogenost taline, pomažući u održavanju vlačne cjelovitosti i otpornosti na udarce bez ozbiljnog pada temperature otklona topline (HDT) kada se drži unutar preporučenih pragova doziranja.
Prednosti korištenja hidrogenirane DCPD smole u 3D ispisu
Jedinstvena cikloalifatska kemija hidrogenirane DCPD smole nudi nekoliko jasnih obradnih i fizičkih prednosti kao funkcionalnog aditiva:
Visoka vjernost ispisa: Izvrsna fluidnost taljenja i kontrola skupljanja omogućuju finu rezoluciju značajki, glatku završnu obradu površine i oštre rubove.
Poboljšana dimenzionalna stabilnost: minimalizira toplinsko savijanje u FDM ispisima i izobličenje nakon stvrdnjavanja u fotopolimernim dijelovima, što ga čini idealnim za strukture tankih stijenki i složene komponente.
Izvrsna otpornost na toplinu i UV zračenje: potpuno hidrogenizirana okosnica osigurava čistoću poput vodene boje, nisko žutilo nakon UV naknadnog stvrdnjavanja i visoku toplinsku stabilnost tijekom obrade taline.
Isplativost obrade: služi kao učinkovit modifikator protoka i skupljanja, omogućujući formulatorima da optimiziraju vrhunske matrice smole s poboljšanom propusnošću i prinosom.
Primjena hidrogenirane DCPD smole u materijalima za 3D ispis
Zbog svojih svestranih karakteristika modificiranja svojstava, hidrogenirana DCPD smola nalazi primjenu u nekoliko prilagođenih formulacija za 3D ispis:
Modifikacija spoja FDM filamenta: Dodano u preporučenim količinama (3%–12%) tijekom ekstruzije PLA, ABS i PP filamenata s dva vijka za povećanje protoka taline, smanjenje zahtjeva za temperaturom ispisa i poboljšanje međuslojnog povezivanja osi Z.
SLA/DLP fotopolimerne formulacije s malim skupljanjem: Koristi se u količini od 3%–10% kao nereaktivni fizički dodatak u specijaliziranim industrijskim fotopolimerima za ublažavanje volumetrijske kontrakcije i poboljšanje dimenzijske tolerancije u modelima prototipa.
SLS Powder Flow & Coalescence Aid: Trenutno se istražuje kao potencijalni aditiv za površinsku obradu ili suho miješanje za odabrane elastomerne ili polimerne prahove niskog tališta za poboljšanje izravnavanja sloja praha i koalescencije laserskog sinteriranja.
Funkcionalna izrada prototipa i šablone: Modificirani materijali omogućuju brzu proizvodnju visokopreciznih funkcionalnih prototipova, glavnih uzoraka i učvršćenja za sklapanje koji zahtijevaju stroge tolerancije dimenzija i estetiku glatke površine.
Usporedba s drugim smolama u 3D ispisu
Kako bismo bolje razumjeli prednosti hidrogenirane DCPD smole u 3D ispisu, usporedimo je s drugim često korištenim smolama, kao što jeC9 hidrogenirana naftna smola,Alifatska C5 smola,C5 ugljikovodična smola, iC9 ugljikovodična smola.
C9 hidrogenirana naftna smola:
Nudi dobru polimernu kompatibilnost i toplinsku stabilnost. Međutim, njegova hidrogenirana aromatska struktura daje različite parametre topljivosti u usporedbi s DCPD smolom. Hidrogenirana DCPD smola općenito pokazuje bolju bistrinu i manji utjecaj na viskoznost u alifatskim i cikloalifatskim polimernim sustavima.
Alifatska C5 smola:
Pruža fleksibilnost i prianjanje u sustavima ljepila. Međutim, nehidrogenirana C5 smola sadrži nezasićene dvostruke veze koje su sklone toplinskoj oksidaciji i žućenju na visokim temperaturama 3D ispisa.
Nehidrogenirana C9 ugljikovodična smola:
Sadrži ostatke aromatskih struktura i više razine VOC-a, što dovodi do većeg mirisa, toplinske promjene boje i potencijalnih rizika od iritacije kože, što ga čini neprikladnim za 3D ispis filamenta ili formulacija koje polimeriziraju svjetlom u zatvorenim prostorima.
Prednost hidrogeniranog DCPD-a:
Kombinira vodenobijelu cikloalifatsku strukturu, nultu nezasićenost, slab miris i vrhunsku toplinsku/UV stabilnost, što ga čini pouzdanim dodatkom ugljikovodiku za osjetljivu modifikaciju polimera.
Zaključak
U zaključku, hidrogenirana DCPD smola igra vrijednu ulogu kao funkcionalni aditiv i modifikator svojstava u materijalima za 3D ispis, a ne kao samostalna smola za ispis. Njegova niska molekularna težina, zasićena cikloalifatska struktura, toplinska stabilnost i svojstva ublažavanja skupljanja čine ga učinkovitim modifikatorom za obradu FDM filamenta, formulacija fotopolimera s malim skupljanjem i novih SLS praškastih sustava.
Ključne smjernice za formulaciju uključuju:
FDM: 3%–12% opterećenja za poboljšani protok taline, odgođenu kristalizaciju i poboljšano prianjanje međuslojeva.
SLA/DLP: 3%–10% opterećenja u kompatibilnim sustavima za volumetrijsko smanjenje skupljanja.
Odabir stupnja: Hidrogenirani stupnjevi s odgovarajućom distribucijom molekularne težine osiguravaju optimalnu ravnotežu između modifikacije protoka taline i mehaničkog integriteta.
*Podaci o učinkovitosti navedeni u ovom članku temelje se na internim laboratorijskim ispitivanjima i reprezentativnim studijama formulacije. Stvarni rezultati mogu varirati ovisno o specifičnoj opremi, uvjetima procesa i detaljima formulacije. Preporučujemo provjeru učinkovitosti materijala pomoću vlastitih protokola testiranja. *
Kao posvećeni dobavljač hidrogeniranih DCPD smola, predani smo pružanju podrške formulatorima materijala i proizvođačima 3D ispisa s proizvodima visoke čistoće, dosljednim i tehničkom stručnošću. Obratite se našem tehničkom timu danas kako biste zatražili uzorke, tehničke listove ili smjernice za složenje za razvoj vašeg materijala za 3D ispis sljedeće generacije.
Reference
-
1. Interno tehničko izvješće: Reološka modifikacija i smanjenje skupljanja hidrogeniranih ugljikovodičnih smola u polimernim matricama. Henan Xiangrong Petrochemical Co., Ltd. (Na temelju podataka internih laboratorijskih ispitivanja.)
2. ASTM D1238-23 - Standardna ispitna metoda za protok taline termoplasta ekstruzijskim plastometrom. ASTM International.
3. ISO 527-1:2019 – Plastika – Određivanje vlačnih svojstava – 1. dio: Opća načela. Međunarodna organizacija za standardizaciju.
4. Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B. i Khorasani, M. (2021). Tehnologije aditivne proizvodnje (3. izdanje). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-56127-7
5. Das, A. i Bortner, MJ (2020). Aditivna proizvodnja temeljena na ekstruziji materijala s mješavinama polipropilena i ugljikovodičnih smola. Izvješće o istraživanju ORNL-a.
6. Das, A. i Bortner, MJ (2021). Karakterizacija mješavina polipropilen/ugljikovodična smola za 3D ispis. Izvješće o istraživanju ORNL-a.