Effect of aging on the mechanical properties of PolyJet 3D printed materials

The PolyJet 3D process is based on the injection in the form of liquid droplets of UV photocurable polymers; more polymers can be printed at once, even with strongly different physical and mechanical properties. PolyJet Additive Manufacturing (AM), can be adopted to manufacture intricate parts with microscopic resolution; thanks to that, it is at the centre of the attention in the modern renewal of production [1]. 3D printing, in particular the PolyJet technology, has proven to be ideal for the production of complex heterogeneous composites such as Interpenetrating Phase Composites (IPC), constituted by purposely designed co-continuous architectures [2]. The manufacturing of bio-inspired composite materials, the prototyping process, the aerospace, automotive and robotics industries have taken advantage of these features because, in the production of these complex architectures, multiple materials, even with widely different properties, can be employed at the same time [2], [3], [4]. These materials could show elastic moduli differing at the same temperature by about three orders of magnitude, having a hard, glassy polymer coupled with a soft, rubbery one [2]. In this project, conducted in collaboration with the Université de Liège, two commercial photopolymer resins, VeroWhite and Gray60, were characterised. These resins were used to print different kind of samples which have been subjected to mechanical tests (tensile, scratch and fracture), in order to evaluate the behaviour of the 3D printed photopolymer resins. In addition, attenuated total reflectance (ATR) has been performed in order to make a characterization even on the chemical structure of the two materials. Based on previous researches, specific process parameters have been selected in order to focus the study on the isolated effect of aging on materials, and to the identification of thermal treatments able to mitigate this phenomenon. In addition, the preliminary analysis of the fracture properties of the two selected resins was performed according to linear elastic fracture mechanics (LEFM) theory, to characterize their intrinsic fracture resistance (i.e., independent of the specimen size) and to compare their behaviour. Fracture analysis were therefore conducted testing different sample geometries to assess the size effects on the values of K_IC and G_IC. For both materials, the fracture tests were carried out by subjecting all the specimens to thermal treatment.

Il processo PolyJet 3D si basa sull'iniezione sotto forma di gocce liquide di polimeri fotoindurenti UV; si possono stampare più polimeri contemporaneamente, anche con proprietà fisiche e meccaniche fortemente diverse. L’Additive Manufacturing (AM) PolyJet può essere adottata per produrre parti complesse con risoluzione microscopica; grazie a ciò è al centro dell'attenzione nel moderno rinnovamento produttivo [1]. La stampa 3D e in particolare la tecnologia PolyJet, si è rivelata ideale per la produzione di compositi eterogenei complessi come gli Interpenetrating Phase Composites (IPC), costituiti da architetture co-continue appositamente progettate [2]. La produzione di materiali compositi bio-ispirati, il processo di prototipazione, l'industria aerospaziale, automobilistica e robotica hanno sfruttato queste caratteristiche perché, nella produzione di queste architetture complesse, possono essere impiegati molteplici materiali contemporaneamente, anche con proprietà molto diverse [2], [3], [4]. Ad esempio, utilizzando un polimero nello stato vetroso e un polimero che, alla stessa temperatura, si trova nello stato gommoso, si possono accoppiare materiali con moduli elastici diversi di circa tre ordini di grandezza [2]. In questo progetto, condotto in collaborazione con l’Université de Liège, sono state caratterizzate due resine fotopolimeriche commerciali, VeroWhite e Gray60. Queste sono state utilizzate per produrre, tramite stampa 3D, diversi tipi di campioni che sono stati sottoposti a test meccanici (trazione, graffio e frattura), al fine di valutarne il comportamento. Inoltre è stata effettuata l'analisi della riflettanza totale attenuata (ATR) per effettuare una caratterizzazione anche sulla struttura chimica dei due materiali. Sulla base di ricerche precedenti, sono stati selezionati parametri di processo specifici al fine di focalizzare lo studio sull'effetto isolato dell'invecchiamento sui materiali, e all'identificazione di trattamenti termici in grado di mitigare questo fenomeno. Inoltre, l'analisi preliminare delle proprietà di frattura delle due resine selezionate è stata eseguita secondo la teoria della meccanica della frattura elastica lineare (LEFM) per caratterizzare la resistenza intrinseca alla frattura (indipendente dalla geometria dei campioni utilizzati) e per confrontarne il comportamento. Sono state quindi condotti test di frattura su campioni con geometrie differenti per valutare gli effetti dimensionali sui valori di K_IC e G_IC. Per entrambi i materiali, le prove di frattura sono state effettuate sottoponendo tutti i provini a trattamento termico.