The role of the interphase in 3D printed photo-cured polymers

Additive manufacturing (AM), in particular 3D printing, gained a lot of interest in the past few years. This work is focused in particular on the Polyjet 3D process by means of which photo-curable polymers with strongly different physical and mechanical properties can be injected (in the form of liquid droplets) and cured through the use of a UV lamp. This technique is especially useful for the production of complex structures, such as so called “interpenetrating phase composites” (IPCs) in which two or more phases are interconnected in three dimensions and construct a topologically continuous network throughout the microstructure. A recent work showed features which had been completely neglected in previous researches: an inter-diffusion phenomenon between constituent photo-curable polymers in their liquid state that occurs during the deposition process of liquid droplets as a function of the printing setup. As a consequence, an interphase forms. The present work is the continuation of the study of the effect of the interphase on the overall mechanical properties of 3D printed composite materials. Two photo-curable polymers, a glassy polymer (VeroWhitePlus RGD835) and a rubbery one (TangoBlackPlus FLX930), were used for the production of the desired specimens. Samples were designed in the form of laminates in different configurations and printed along different printing directions in order to generally evaluate the role of the “interphase”. The surface of the laminates was analyzed through the use of an optical microscope. Dynamic mechanical analysis (DMA) in tensile configuration was carried out to evaluate the elastic properties and the main thermal transition (i.e. glass transition temperature) of the composite laminates. An oscillatory strain (0,1%) was applied in order to evaluate the storage modulus values as a function of the temperature within polymer linear regime. To do so, a temperature ramp was applied from -50 °C to 80 °C. An analytical model was used to predict theoretical elastic properties from the obtained experimental values. Laminate damping properties were evaluated, too. The present research opens the way for further studies in order to better characterize the mechanical behavior of 3D printed photo-curable polymers.

L’“Additive manufacturing” (AM) (produzione additiva), nello specifico la stampa 3D, ha attratto l’interesse dei ricercatori negli ultimi anni. In particolare, questo lavoro di tesi si focalizza sul processo 3D Polyjet, attraverso il quale polimeri foto-polimerizzabili, con proprietà fisiche e meccaniche significativamente differenti, possono essere depositati su un piano di lavoro e polimerizzati mediante l’uso di un’apposita lampada UV. Questa tecnica risulta essere molto utile per produzione di strutture complesse, il cui esempio principale è rappresentato dai cosiddetti “compositi a fasi interpenetrate” (“interpentrating phase composite”, IPCs), nei quali due o più fasi sono interconnesse nello spazio e costituiscono un network continuo attraverso l’architettura del componente. Una recente ricerca ha evidenziato aspetti interessanti che erano stati completamente trascurati fino ad oggi: si è dimostrata la presenza di un fenomeno di inter-diffusione, in funzione della direzione di stampaggio, tra i foto-polimeri quando depositati allo stato liquido sotto forma di gocce. Conseguenza di ciò è la formazione di un’”interfase”. Il seguente lavoro di tesi prosegue nel lavoro di studio dell’effetto di questa “interfase” sulle proprietà meccaniche macroscopiche di materiali compositi ottenuti per stampa Polyjet 3D. Due polimeri foto-polimerizzabili, un polimero vetroso (VeroWhitePlus RGD835) e uno gommoso (TangoBlackPlus FLX930) , sono stati usati per la produzione dei campioni. I campioni sono stati progettati in forma di laminati, con configurazioni e direzioni di stampaggio differenti, per studiare nella maniera più generale l’effetto dell’”interfase” sulle proprietà meccaniche. La superficie dei campioni è stata analizzata con un microscopio ottico. L’analisi dinamico-meccanico è stata eseguita in trazione al fine di valutare le proprietà elastiche e le principali transizioni termiche (in particolare, la temperatura di transizione vetrosa) dei campioni compositi. Una deformazione oscillatoria (0,1%) è stata applicata allo scopo di analizzare le proprietà elastiche in funzione della temperatura in campo lineare. Per fare ciò, i campioni sono stati analizzati da -50 °C a 80 °C applicando un’apposita rampa di temperatura. Le proprietà elastiche teoriche sono state previste dai dati sperimentali attraverso l’utilizzo di un apposito modello analitico. In parallelo, si è eseguita l’analisi delle proprietà dissipative. La ricerca di seguito presentata apre la via a studi futuri per meglio caratterizzare le proprietà meccaniche di compositi composti da polimeri foto-polimerizzabili ottenuti tramite stampa 3D (Polyjet).