3D tlač sa v posledných desaťročiach objavila ako revolučná technológia, ktorá mení výrobné procesy v rôznych odvetviach. Od automobilového priemyslu po letecký priemysel, zdravotníctvo až po spotrebný tovar, 3D tlač ponúka bezkonkurenčnú flexibilitu, presnosť a efektivitu pri vytváraní zložitých geometrií. Keďže dopyt po pokročilých materiáloch vhodných pre 3D tlač neustále rastie, výskumníci a tvorcovia materiálov neustále skúmajú nové polyméry a funkčné prísady s vylepšenými vlastnosťami. Jedným z takýchto materiálov, ktorý si získal značnú pozornosť, je hydrogenovaná živica DCPD. Ako popredný dodávateľ hydrogenovanej živice DCPD sme nadšení, že sa môžeme ponoriť do úlohy tohto inovatívneho materiálu v oblasti 3D tlače.
Pochopenie hydrogenovanej DCPD živice
Predtým, ako preskúmame jeho aplikácie v 3D tlači, poďme najprv pochopiť, čo je hydrogenovaná živica DCPD. DCPD alebo dicyklopentadién je vysoko reaktívny cyklický dién bežne odvodený z procesov krakovania ropy. Hydrogenovaná živica DCPD sa vyrába katalytickou hydrogenáciou živice DCPD, čo je proces, ktorý nasýti nenasýtené dvojité väzby v štruktúre polyméru. Tento hydrogenačný proces dodáva živici niekoľko žiaducich vlastností, vrátane vynikajúcej oxidačnej stability, vynikajúcej odolnosti voči UV žiareniu, priehľadnosti vo vode bielej farby a vysokého bodu mäknutia (zvyčajne 100 °C – 140 °C).
Hydrogenovaná živica DCPD je známa svojou vynikajúcou kompatibilitou so širokou škálou termoplastických polymérov, elastomérnych blokových kopolymérov a hydrofóbnych prísad do formulácií, čo z nej robí všestranný modifikátor pre rôzne aplikácie. Je široko používaný v tavných lepidlách, lepidlách citlivých na tlak, špecializovaných náteroch, kaučukových zmesiach a modifikáciách polymérov, kde jeho jedinečná kombinácia nízkej molekulovej hmotnosti a tepelnej stability zvyšuje plynulosť spracovania a výkonnosť konečného produktu.
Je dôležité objasniť, že hydrogenovaná živica DCPD je termoplastická živica zvyšujúca lepivosť, nie živica vytvrditeľná svetlom. Na rozdiel od SLA/DLP 3D tlačiarenských živíc, ktoré podliehajú chemickej fotopolymerizácii po vystavení UV žiareniu, hydrogenovaná živica DCPD sama o sebe nemá schopnosť vytvrdzovať UV žiarením. Jeho úloha v 3D tlači je predovšetkým ako funkčný modifikátor alebo procesná prísada - nie ako samostatný materiál tlačovej matrice.
Úloha hydrogenovanej DCPD živice v materiáloch pre 3D tlač
Aplikácia hydrogenovanej živice DCPD v 3D tlači sa zásadne líši od použitia fototvrditeľných monomérov. Namiesto toho, aby slúžila ako primárny stavebný materiál, hydrogenovaná živica DCPD funguje ako vysoko výkonná funkčná prísada, ktorá zlepšuje tok spracovania, rozmerovú stabilitu a medzivrstvový výkon existujúcich systémov 3D tlačových materiálov. Vďaka nízkej molekulovej hmotnosti, vynikajúcej tepelnej odolnosti a jedinečnej cykloalifatickej štruktúre je obzvlášť účinný pri hlavných technológiách 3D tlače:
Fused Deposition Modeling (FDM) – Ako modifikátor toku taveniny a uvoľnenia napätia môže byť hydrogenovaná živica DCPD zmiešaná do termoplastických vlákien, ako sú PLA, ABS a PP v odporúčaných úrovniach pridávania 3 % – 12 %. Znižuje viskozitu taveniny, vyhladzuje extrúzny tok a rozširuje okno teploty spracovania. Výskum zmesí polypropylén/uhľovodíkové živice pre 3D tlač vytláčaním materiálov ukázal, že pridanie amorfných uhľovodíkových živíc s nízkou molekulovou hmotnosťou oneskoruje začiatok kryštalizácie polyméru, pomáha znižovať nahromadenie zvyškového napätia a zlepšuje celkovú tlač.
Stereolitografia (SLA) a digitálne spracovanie svetla (DLP) – Hydrogenovaná živica DCPD sa ako prísada znižujúca objemové zmrštenie v kompatibilných hydrofóbnych fototvrditeľných živicových systémoch pridáva v odporúčaných množstvách 3 % – 10 % celkovej hmotnosti systému. Riadenie pridávania cykloalifatickej hydrogenovanej ropnej živice umožňuje jej reťazcom s nízkou molekulovou hmotnosťou vyplniť voľné objemové medzery medzi molekulami matricovej živice, čím sa účinne zmierňuje polymerizáciou vyvolané objemové zmršťovanie počas UV vytvrdzovania.
Selektívne laserové spekanie (SLS) - Hydrogenovaná živica DCPD sa skúma ako potenciálny modifikátor toku a zmáčania pre vybrané polymérové prášky s nízkou teplotou topenia, s cieľom zlepšiť zmáčanie práškového lôžka a koalescenciu taveniny počas laserového spekania.
Pozrime sa, ako funguje hydrogenovaná živica DCPD v každom z týchto aspektov.
Viskozita a tekutosť
Viskozita je kľúčovou vlastnosťou, ktorá určuje tokové správanie polyméru počas procesu 3D tlače. Pre aplikácie FDM vláknitý materiál s optimalizovanou viskozitou taveniny hladko prúdi cez úzku trysku tlačiarne, čo umožňuje rovnomerné vytláčanie a presné nanášanie vrstiev. Naopak, príliš vysoká viskozita taveniny môže spôsobiť upchatie trysky, protitlak a nerovnomerné čiary vrstiev.
Hydrogenovaná živica DCPD, ako uhľovodíková živica s nízkou molekulovou hmotnosťou, vykazuje vynikajúce vlastnosti pri riedení taveniny pri zvýšených teplotách. Pri zmiešaní do PLA alebo semikryštalických polymérnych matríc pri vhodných úrovniach zaťaženia výrazne zvyšuje index toku taveniny (MFI, ASTM D1238), znižuje vytláčací moment a minimalizuje riziko upchatia trysky. Reologické charakteristiky zmesí termoplastických/uhľovodíkových živíc potvrdili výraznú šmykovú stenčovaciu povahu týchto systémov. Jeho plne nasýtená cykloalifatická štruktúra zabraňuje tepelnej degradácii a zosieťovaniu pri vysokých teplotách tlače, čím zabezpečuje konzistentnú viskozitu taveniny počas dlhých tlačových cyklov.
Správanie pri vytvrdzovaní a kontrola zmršťovania
V systémoch fototvrditeľnej živice pre SLA a DLP je objemové zmršťovanie vytvrdzovaním dobre známou výzvou, ktorá vedie k vnútornému napätiu, deformácii dielov a rozmerovej nepresnosti. Hydrogenovaná živica DCPD rieši tento problém ako nereaktívna prísada znižujúca zmršťovanie.
Namiesto toho, aby sa podieľala na fotopolymerizačnej reakcii, hydrogenovaná živica DCPD funguje ako nereaktívna fyzikálna zložka, ktorá zaberá voľný objem v polymérnej matrici, čím pomáha zmierniť namáhanie zmršťovania vyvolané polymerizáciou. Keď sú začlenené do kompatibilných nízkopolárnych akrylátových alebo hybridných fotopolymérnych formulácií pri optimálnych úrovniach zaťaženia (zvyčajne 3 % – 10 %), jeho kompaktné cykloalifatické reťazce vypĺňajú medzimolekulové dutiny medzi reagujúcimi monomérnymi jednotkami. Toto fyzikálne obmedzenie znižuje celkovú objemovú kontrakciu, ku ktorej dochádza pri vytváraní kovalentných väzieb počas expozície.
Výber molekulovej hmotnosti je v tejto aplikácii kritický. Typy s úzkou distribúciou molekulovej hmotnosti ponúkajú najlepšiu rovnováhu výkonu – poskytujú dostatočné zapletenie reťazcov na zaistenie rozmerovej stability bez toho, aby spôsobovali predčasnú separáciu mikrofáz alebo nadmerne spomaľovali kinetiku fotopolymerizácie. V kompatibilných UV formuláciách sa ukázalo, že pridanie nízkomolekulárnej hydrogenovanej DCPD živice v odporúčaných hladinách účinne znižuje polymerizačné zmršťovanie pri zachovaní prijateľného výkonu vytvrdzovania a optickej čistoty.
Presnosť rozmerov a kvalita tlače
Vlastnosti uvoľnenia napätia a nízkeho zmrštenia, ktoré poskytuje hydrogenovaná živica DCPD, zaisťujú, že tlačené objekty si zachovávajú vernú geometrickú vernosť počas chladenia alebo následného vytvrdzovania UV žiarením.
V aplikáciách FDM zlepšuje hydrogenovaná živica DCPD priľnavosť medzi vrstvami (výkon osi Z) zvýšením mobility polymérneho reťazca na roztavenom rozhraní medzi čerstvo vytlačenými dráhami. Výskum ukázal, že zmiešavanie uhľovodíkových živíc so semikryštalickými termoplastmi oneskoruje kinetiku kryštalizácie, pomáha uvoľňovať vnútorné tepelné napätie vznikajúce počas chladenia a výrazne znižuje deformáciu, zvlnenie a deformáciu hrán. Vyplnením mikroskopických povrchových dutín a rozptýlením tepelného kontrakčného napätia, keď sa diel ochladzuje, účinne minimalizuje bežné chyby, ako je deformácia rohov, zdvíhanie lôžka a delaminácia vrstiev.
V systémoch SLA/DLP pomáha kontrolované pridávanie hydrogenovanej živice DCPD tlmiť nahromadenie vnútorného zmršťovacieho napätia v zelenej časti, čím sa predchádza mikrotrhlinám v jemných geometriách a zlepšuje sa konečná rozmerová tolerancia.
Mechanické vlastnosti a tepelná stabilita
Pri hodnotení 3D tlačených dielov je nevyhnutné vyvážiť spracovateľnosť s mechanickou integritou. Hydrogenovaná živica DCPD, ak sa používa ako optimalizovaná pomôcka pri spracovaní, pozitívne prispieva k celkovému profilu vlastností modifikovaných materiálov.
Hydrogenovaná živica DCPD vďaka svojej úplne nasýtenej kruhovej štruktúre ponúka výnimočnú tepelnú odolnosť a oxidačnú stabilitu (vykazuje minimálny farebný posun až do 180 °C). V zlúčeninách FDM filament zachováva tuhú štruktúrnu štruktúru základných polymérov a zároveň zlepšuje homogenitu taveniny, pomáha udržiavať integritu v ťahu a odolnosť proti nárazu bez výrazného zníženia teploty vychýlenia tepla (HDT), keď sa udržiava v rámci odporúčaných prahových hodnôt dávkovania.
Výhody použitia hydrogenovanej DCPD živice v 3D tlači
Jedinečná cykloalifatická chémia hydrogenovanej živice DCPD ponúka niekoľko jasných spracovateľských a fyzikálnych výhod ako funkčná prísada:
Vysoká vernosť tlače: Vynikajúca tekutosť taveniny a kontrola zmršťovania umožňujú jemné rozlíšenie prvkov, hladké povrchové úpravy a ostré okraje.
Vylepšená rozmerová stabilita: Minimalizuje tepelné deformácie pri výtlačkoch FDM a deformáciu po vytvrdnutí fotopolymérových častí, vďaka čomu je ideálny pre tenkostenné štruktúry a zložité komponenty.
Vynikajúca tepelná a UV odolnosť: Plne hydrogenovaný hlavný reťazec zaisťuje vodnú bielu čírosť, nízke žltnutie po UV vytvrdzovaní a vysokú tepelnú stabilitu počas spracovania taveniny.
Nákladová efektívnosť spracovania: Slúži ako účinný modifikátor toku a zmršťovania, čo umožňuje tvorcom prípravkov optimalizovať matrice prémiovej živice so zlepšeným výkonom a výťažnosťou.
Aplikácie hydrogenovanej DCPD živice v materiáloch pre 3D tlač
Hydrogenovaná živica DCPD vďaka svojim všestranným vlastnostiam modifikujúcim vlastnosti nachádza uplatnenie v niekoľkých formuláciách prispôsobených na 3D tlač:
Modifikácia FDM Filament Compound: Pridaná v odporúčaných úrovniach (3 % – 12 %) počas dvojzávitovkovej extrúzie filamentov PLA, ABS a PP na zvýšenie toku taveniny, zníženie požiadaviek na teplotu tlače a zlepšenie väzby medzivrstvy v osi Z.
SLA/DLP fotopolymérové formulácie s nízkym zmršťovaním: Používa sa v množstve 3 % – 10 % ako nereaktívna fyzikálna prísada v špecializovaných priemyselných fotopolyméroch na zmiernenie objemovej kontrakcie a zlepšenie rozmerovej tolerancie v prototypových modeloch.
SLS Powder Flow & Coalescence Aid: V súčasnosti sa skúma ako potenciálna povrchová úprava alebo aditívum na miešanie za sucha pre vybrané elastomérne alebo nízkotaviteľné polymérne prášky na zlepšenie vyrovnávania práškového lôžka a koalescencie laserového spekania.
Funkčné prototypovanie a prípravky: Upravené materiály umožňujú rýchlu výrobu vysoko presných funkčných prototypov, hlavných vzorov a montážnych prípravkov vyžadujúcich prísne rozmerové tolerancie a hladký povrch.
Porovnanie s inými živicami v 3D tlači
Aby sme lepšie pochopili výhody Hydrogenated DCPD Resin v 3D tlači, porovnajme si ju s inými bežne používanými živicami, ako napr.C9 hydrogenovaná ropná živica,Alifatická živica C5,C5 uhľovodíková živica, aC9 uhľovodíková živica.
C9 hydrogenovaná ropná živica:
Ponúka dobrú kompatibilitu s polymérmi a tepelnú stabilitu. Jeho hydrogenovaná aromatická štruktúra však poskytuje iné parametre rozpustnosti v porovnaní so živicou DCPD. Hydrogenovaná DCPD živica vo všeobecnosti vykazuje lepšiu čírosť a nižšiu viskozitu v alifatických a cykloalifatických polymérnych systémoch.
Alifatická živica C5:
Poskytuje flexibilitu a priľnavosť v lepiacich systémoch. Nehydrogenovaná živica C5 však obsahuje nenasýtené dvojité väzby, ktoré sú náchylné na tepelnú oxidáciu a žltnutie pri vysokých teplotách 3D tlače.
Nehydrogenovaná C9 uhľovodíková živica:
Obsahuje zvyškové aromatické štruktúry a vyššie hladiny VOC, čo vedie k vyššiemu zápachu, tepelnému zafarbeniu a potenciálnemu riziku podráždenia pokožky, takže nie je vhodný pre vnútorné 3D tlačové vlákno alebo formulácie vytvrdzujúce svetlom.
Výhoda hydrogenovaného DCPD:
Kombinuje vodovobielu cykloalifatickú štruktúru, nulovú nenasýtenosť, nízky zápach a vynikajúcu tepelnú/UV stabilitu, čím sa stáva spoľahlivým uhľovodíkovým aditívom pre citlivú modifikáciu polymérov.
Záver
Záverom možno povedať, že hydrogenovaná živica DCPD zohráva cennú úlohu ako funkčná prísada a modifikátor vlastností v materiáloch pre 3D tlač, a nie ako samostatná tlačová živica. Jeho nízka molekulová hmotnosť, nasýtená cykloalifatická štruktúra, tepelná stabilita a vlastnosti zmierňujúce zmršťovanie z neho robia účinný modifikátor pre spracovanie filamentov FDM, formulácie fotopolymérov s nízkym zmršťovaním a vznikajúce práškové systémy SLS.
Medzi hlavné zásady formulácie patria:
FDM: 3%-12% náplň pre zvýšený tok taveniny, oneskorenú kryštalizáciu a zlepšenú medzivrstvovú priľnavosť.
SLA/DLP: 3%–10% zaťaženie v kompatibilných systémoch na zníženie objemového zmršťovania.
Výber druhu: Hydrogenované druhy s vhodnou distribúciou molekulovej hmotnosti poskytujú optimálnu rovnováhu medzi modifikáciou toku taveniny a mechanickou integritou.
*Údaje o výkonnosti uvedené v tomto článku sú založené na internom laboratórnom testovaní a reprezentatívnych štúdiách zloženia. Skutočné výsledky sa môžu líšiť v závislosti od konkrétneho zariadenia, podmienok procesu a detailov zloženia. Odporúčame overiť výkonnosť materiálu prostredníctvom vlastných testovacích protokolov. *
Ako špecializovaný dodávateľ hydrogenovaných DCPD živíc sme odhodlaní podporovať tvorcov materiálov a výrobcov 3D tlače s vysoko čistými, konzistentnými produktmi a technickými odbornými znalosťami. Kontaktujte náš technický tím ešte dnes a vyžiadajte si vzorky, listy s technickými údajmi alebo návod na zloženie pre váš vývoj materiálu pre 3D tlač novej generácie.
Referencie
-
1. Interná technická správa: Reologická modifikácia a redukcia zmršťovania hydrogenovaných uhľovodíkových živíc v polymérnych matriciach. Henan Xiangrong Petrochemical Co., Ltd. (Na základe údajov z interného laboratórneho testovania.)
2. ASTM D1238-23 - Štandardná skúšobná metóda pre rýchlosti toku taveniny termoplastov pomocou extrúzneho plastometra. ASTM International.
3. ISO 527-1:2019 - Plasty - Stanovenie ťahových vlastností - Časť 1: Všeobecné zásady. Medzinárodná organizácia pre normalizáciu.
4. Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B., & Khorasani, M. (2021). Aditívne výrobné technológie (3. vydanie). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-56127-7
5. Das, A. a Bortner, MJ (2020). Výroba aditív na báze extrúzie so zmesami polypropylénu a uhľovodíkových živíc. Výskumná správa ORNL.
6. Das, A. a Bortner, MJ (2021). Charakterizácia zmesí polypropylén/uhľovodíkové živice pre 3D tlač. Výskumná správa ORNL.