A model of the thermomechanical behavior of shape-memory photopolymers under thermorelaxation transition conditions | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2025. № 97. DOI: 10.17223/19988621/97/12

A model of the thermomechanical behavior of shape-memory photopolymers under thermorelaxation transition conditions

This paper presents a series of experiments aimed at deriving the phenomenological constitutive relations for cross-linked polymers. The use of photopolymer materials is accompanied by thermal relaxation transitions, i.e., the glass transition. A model comprising a hypoelastic element and a viscous element is adopted for this class of materials. The hypoelastic element describes the formation of new intermolecular bonds during the glass transition, while the viscous element describes the relaxing processes at a constant temperature. A complete experimental program for identifying the viscoelastic constants is developed and carried out using dynamic mechanical analysis (DMA). The obtained complex modulus is verified and refined based on thermomechanical analysis (TMA). Additionally, a validation experiment is performed on a uniaxial specimen subjected to stepwise loading under heating. The results demonstrated a strong quantitative and qualitative agreement between the calculated and experimental data. A numerical simulation based on the proposed model illustrates the shape-memory effect (SME).

Download file

Counter downloads: 14

Keywords

photopolymers, constitutive relations, viscoelasticity, thermorelaxation transition, DMA, TMA, rapid prototyping, shape memory effect

Authors

Name	Organization	E-mail
Smetannikov Oleg Yu.	Perm National Research Polytechnic University	sou2009@mail.ru
Il’inykh Gleb V.	Perm National Research Polytechnic University	gleb@ilinyh.ru
Faskhutdinova Yuliya B.	Perm National Research Polytechnic University	fub26@mail.ru

Всего: 3

References

Эртесян А.Р., Садыков М.И., Нестеров А.М., Арестова А.А. Обзор фотополимерных смол, применяемых в стоматологии // Естественные и технические науки. 2020. № 12. С. 238240. doi: 10.37882/2223-2966.2020.12.42.

Головненко И.В., Финогеев Д.Ю. Применение фотополимерных смол в производстве высокоточных изделий в машиностроительной отрасли // Перспективные материалы и высокоэффективные процессы обработки: сб. материалов Всерос. молодежной конф. Саратов: Саратов. гос. техн. ун-т им. Гагарина Ю.А., 2022. С. 56-60.

Гордеев Е.Г., Анаников В.П. Общедоступные технологии 3В-печати в химии, биохимии и фармацевтике: приложения, материалы, перспективы // Успехи химии. 2020. Т. 89, № 12. С. 1507-1561. doi: 10.1070/RCR4980.

Сорокин О.Ю., Кузнецов Б.Ю., Лунегова Ю.В., Ерасов В.С. Высокотемпературные композиционные материалы с многослойной структурой (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 4-5 (88). С. 42-53. doi: 10.18577/2307-6046-2020-0-45-42-53.

Koplin C., Gurr M., Mulhaupt R., Jaeger R. Shape accuracy in stereolithography: A material model for the curing behavior of photo-initiated resins // International User’s Conference on Rapid Prototyping & Rapid Tooling & Rapid Manufacturing (Euro-uRapid). Berlin, 2008.

Морозов В.В. Исследование и разработка технологических режимов изготовления отли вок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии: дис. канд. техн. наук: 05.16.04. М., 2005 161 c.

Макаров П.В., Еремин М.О. Моделирование разрушения керамических композиционных материалов при одноосном сжатии // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2013. № 1 (21). С. 61-74.

Бугаков И.И. Способ оценки остаточных температурных напряжений в полимерных те лах // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1978. № 3. P. 68-74.

Бугаков И.И. Определяющие уравнения для материалов с фазовым переходом // Меха ника твердого тела. 1989. № 3. С. 111-117.

Болотин В.В., Воронцов А.Н., Мурзаханов Р.Х. Анализ технологических напряжений в намоточных изделиях из композитов на протяжении всего процесса изготовления // Механика композитных материалов. 1980. № 3. С. 500-508.

Турусов Р.А. Механические явления в полимерах и композитах (в процессах формирования): дис. д-ра физ.-мат. наук. М., 1983. 363 с.

Tomashevskii V.T., Yakovlev V.S. Models in the Engineering Mechanics of Polymer-Matrix Composite Systems // International Applied Mechanics. 2004. V. 40 (6). P. 601-621. doi: 10.1023/B:INAM.0000041391.28104.b7.

Shaffer B.W., Levitsky M. Thermoelastic Constitutive Equations for Chemically Hardening Materials // ASME. J. Appl. Mech. 1974. V. 41 (3). P. 652-657. doi: 10.1115/1.3423365.

Dupaix R.B., Boyce M.C. Constitutive modeling of the finite strain behavior of amorphous polymers in and above the glass transition // Mechanics of Materials. 2007. V. 39 (1). P. 3952. doi: 10.1016/j.mechmat.2006.02.006.

Varghese A.G., Batra R.C. Constitutive equations for thermomechanical deformations of glassy polymers // International Journal of Solids and Structures. 2009. V. 46 (22). P. 4079-4094. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2009.08.006.

Xia Y., He Y., Zhang F., Liu Y., Leng J. A Review of Shape Memory Polymers and Composites: Mechanisms, Materials, and Applications // Advanced Materials. 2021. V. 33 (6). Art. 2000713. doi: 10.1002/adma.202000713.

Verma S., Verma V.K. Shape memory polymers for additive manufacturing: An overview // Materials Today: Proceedings. 2022. V. 57. P. 2077-2081. doi: 10.1016/j.matpr.2021.11.507.

Liu Y.P., Gall K., Dunn M.L., Greenberg A.R., Diani J. Thermomechanics of shape memory polymers: uniaxial experiments and constitutive modeling // Int. J. Plast. 2006. V. 22. P. 279-313.

Matveenko V.P., Shardakov I.N., Smetannikov O.Y., Trufanov N.A. Models of thermomechanical behavior of polymeric materials undergoing glass transition // Acta Mechanica. 2012. V. 223 (6). P. 1261-1284.

Kelvin (Thomson) W. On the theory of viscoelastic fluids // Math. a. Phys. Pap. 1875. V. 3. P. 27-84.

Henriquesa I.R., Borgesa L.A., Costab M.F., Soaresc B.G., Castelloa D.A.Comparisons of complex modulus provided by different DMA // Polymer Testing. 2018. V. 72, P. 394-406. doi: 10.1016/j.polymertesting.2018.10.034.

Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1973. 832 с.

Сметанников О.Ю. Оптимизация остаточного прогиба круглой пластинки из стеклующегося полимера при неравномерном охлаждении // Вычислительная механика сплошных сред. 2010. Т. 3, № 1. С. 81-92. doi: 1010.7242/1999-6691/2010.3.1.9.

Сметанников О.Ю., Труфанов Н.А. Экспериментальная идентификация модели термомеханического поведения стеклующихся полимеров // Вестник Удмуртского университета. Механика. 2009. № 4. С. 133-145. doi: 10.20537/vm090413.