مقالة منهجية

ستيريوليثوجرافيك 3D الطباعة مع ثيوريا المتجددة

9.2K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/58177

⸱

سبتمبر 12, 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1Professorship Sustainable Polymers, NHL Stenden University of Applied Sciences, 2Macromolecular Chemistry and New Polymeric Materials, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen

في هذه المقالة

ملخص

ويرد على بروتوكول لتصنيع المواد المضافة مع راتنجات صانعوا المتجددة على جهاز المجسمة.

الملخص

إمكانية الحصول على المواد المتجددة التكلفة التنافسية وتطبيقها في الصناعات التحويلية المضافة ضروري لاقتصاد بيولوجي فعال. علينا أن نظهر النماذج الأولية السريعة من راتنجات المستدامة باستخدام طابعة 3D ستيريوليثوجرافيك. تجري صياغة الراتنج بخلط مباشرة من مونومرات acrylate بيولوجي وليغومرات مع فوتوينيتياتيور وامتصاص الضوئية. يتم التحكم بواسطة مركب إلى نسبة أوليجومير اللزوجة الراتنج ويحدده رهيوميتير مع هندسة اللوحة موازية كدالة لمعدل القص. ويستخدم جهاز ستيريوليثوجرافيك اتهم مع راتنجات بيولوجي لإنتاج نماذج على شكل معقد بدرجة عالية من الدقة. المنتجات التي تتطلب علاج بعد، بما في ذلك الكحول الشطف واشعاع الأشعة فوق البنفسجية، لضمان علاج كاملة. القرار ميزة عالية وممتازة سطح التشطيب من النماذج الأولية كشفت عن طريق فحص المجهر الإلكتروني.

المقدمة

النماذج الأولية السريعة يتيح حرية إنتاج وتصميم على الطلب ويسمح بنيات كفاءة تصنيع 3D في طريقة طبقة بطبقة1. نتيجة لذلك 3D الطباعة كأسلوب تصنيع قد تطورت بسرعة في السنوات الأخيرة2. وتتوفر مختلف التكنولوجيات، كل الاعتماد على ترجمة النماذج الافتراضية إلى الأشياء المادية، وتطبيق عمليات مثل البثق والتجميد مسحوق، ورقة التصفيح وترسب الطاقة المباشر فوتوبوليميريزيشن. هذا الأخير ينطوي على علاج الأشعة فوق البنفسجية التدرجي من راتنجات صانعوا السائل. في عام 1986، هال، وزملاء العمل وضع الجهاز المجسمة (جيش تحرير السودان)، طابعة الأشعة فوق البنفسجية 3D الليزر. في الآونة الأخيرة، أصبحت عملية مماثلة تسمى الضوء الرقمية التجهيز (DLP) المتاحة، وفي فوتوبوليميريزيشن التي يتم تهيئتها بواسطة بروجيكتور خفيفة. معا، دلب وجيش تحرير السودان هي المشار إليها المجسمة 3D الطباعة3.

ويطبق جيش لبنان الجنوبي في النماذج عالية الدقة وتصنيع الأجهزة الطبية الحيوية4،5. هذه التكنولوجيا متفوقة على ترسب تنصهر المستخدمة على نطاق واسع النمذجة (FDM) من حيث الدقة والتشطيب السطحي والقرار6. اعتماداً على بنية المنتج، تم دمج هيكل دعم في نموذج ثلاثي الأبعاد لتحقيق الاستقرار في البناء أثناء التصنيع. وعلاوة على ذلك، هو علاج بعد طباعة الأجزاء المصنعة المطلوبة7،8. عادة، يتم غسلها الكائنات المطبوعة في حمام الكحول لإذابة الراتنج الممتص، وعلاج اللاحقة في فرن الأشعة فوق البنفسجية يتم ضمان التحويل الكامل من البلمرة9.

وبصفة عامة، راتنجات لتصنيع المواد المضافة على أساس الطباعة الحجرية الاعتماد على نظم فوتوكورابل المحتوية على ثيوريا أو ايبوكسيدات متعدد الوظائف10. راتنجات صانعوا الحالية في السوق التجارية أساس الأحفوري ومكلفة، بينما هناك حاجة إلى توافر راتنجات المتجددة منخفضة التكلفة تيسيرا لتصنيع المنتجات ثلاثية الأبعاد المستدامة ل اقتصاد بيولوجي1 خالية من النفايات والمحلية , 6-في الآونة الأخيرة، وضعت وطبقت بنجاح في المجسمة 3D الطباعة11،12راتنجات صانعوا استناداً إلى ثيوريا المتجددة. في هذا البروتوكول مفصلاً، ندلل على النماذج الأولية السريعة مع راتنجات بيولوجي على جهاز ستيريوليثغرافي تجارية. هو إيلاء اهتمام خاص للخطوات الحاسمة في الإجراء، أي علاجات راتنج الصياغة والطباعة بعد، مساعدة الممارسين الجديدة في مجال تصنيع المواد المضافة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

تحذير: الرجاء مراجعة صحائف بيانات السلامة المادية ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام.

1-إعداد الراتنج فوتوكورابل

ملاحظة: الرجاء استخدام معدات الوقاية الشخصية (سلامة النظارات، والقفازات، معطف مختبر) أثناء الإجراء التالي. انظر بنا العمل السابقة12 لمزيد من التفاصيل في هذا الباب.

  1. من أجل 50 جرام من 1,10-ديكانيديول دياكريلاتي (SA5201) في 500 مل قارورة Erlenmeyer.
  2. إضافة 1.0 g من diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) أكسيد الفوسفين (TPO) وز 0.40 من 2.5-مكررا(5-ثالثي-بوتيل-بينزوكسازول-2-يل) ثيوفين (بوت) لقارورة.
  3. تزويد قارورة محرض ميكانيكية ويقلب الخليط 200 لفة في الدقيقة لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة من أجل حل منظمات ترويج التجارة وبوت في مونومر acrylate.
  4. إضافة 100 جرام من تيتراكريلاتي ثريتول و 100 غرام من أكريلاتي الإيبوكسي متعددة الوظائف (انظر الجدول للمواد) إلى الخليط.
  5. يقلب الخليط 200 لفة في الدقيقة لمدة 30 دقيقة عند 50 درجة مئوية لضمان من راتنج متجانسة.
  6. إزالة محرض الميكانيكية وتناسب قارورة مع سداده. قارورة ملفوفة في رقائق الألومنيوم لحماية الراتنج صانعوا acrylate بيولوجي (بابر) من الضوء.
    ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.
  7. تغطي أسفل لوحة من رهيوميتير مع هندسة لوحة التوازي مع فوتوريسين.
  8. تعيين الفجوة بين اللوحات في 1 مم وتغطي رهيوميتير مع غطاء مقاومة للأشعة فوق البنفسجية.
  9. قياس اللزوجة الراتنج في درجة حرارة الغرفة في معدلات القص من 0.1 إلى 100 s-1؛ مثلاً،0.100، 0.126، 0.158، 0، 200، 0.251، 0.316، 0.398، 0.501، 0.631، 0.794، 1.00، 1.26، 1.58، 2.00، 2.51، 3.16، 3.98، 5.01، 6.31، 7.94، 10.0، 12.6، 15.8، 20.0، 25.1، 31.6، 39.8، 50.1، 63.1، 79.4، و ق 100-1.

2-ستيريوليثوجرافيك 3D الطباعة مع ثيوريا بيولوجي

ملاحظة: انظر بنا العمل السابقة12 لمزيد من التفاصيل في هذا الباب.

  1. قم بتشغيل الطابعة 3D جيش تحرير السودان وحدد وضع الفتح.
  2. بدء تشغيل البرنامج إعداد نموذج على جهاز كمبيوتر. اختر إعدادات الطباعة المطلوبة: مادة (مسح) والإصدار (V4) وسمك الطبقة (50 ميكرومتر).
  3. فتح نموذج رقمي للنموذج على شكل مجمع، ملف لغة (.stl) الترصيع قياسية (انظر ملف الترميز الإضافي) واختيار الموقع والتوجه على منصة بناء.  تحميل مهمة الطباعة من برنامج الإعداد النموذجي لطابعة 3D جيش تحرير السودان.
    ملاحظة: اعتماداً على هيكل المنتج، يمكن أن تكون متكاملة هيكل دعم في نموذج ثلاثي الأبعاد لتحقيق الاستقرار في البناء أثناء التصنيع. في حالة النموذج على شكل مجمع أثبت هنا، هيكل دعم غير مطلوبة إذا كان طباعة عادية في اتجاه بناء.
  4. صب 200 مل فوتوريسين بيولوجي في خزان راتنج. فتح الطابعة ثلاثية الأبعاد وجبل الخزان الراتنج بشكل صحيح.
  5. جبل منصة البناء وإغلاق الطابعة ثلاثية الأبعاد.
  6. بدء تشغيل مهمة الطباعة.
  7. تسمح الطابعة ثلاثية الأبعاد لاختلاق نماذج على شكل معقد.  لا تفتح الطابعة حتى يتم إنهاء مهمة الطباعة.
    ملاحظة: قبل الطباعة، تأكد من يتم تسويته الطابعة ثلاثية الأبعاد. لبروتوكول واضح، وهو الطول الموجي لليزر الأشعة فوق البنفسجية 405 نانومتر. وقت الطباعة الكائن ح 2.5.

3-بعد انتهاء معاملة 3D طباعة الكائنات

ملاحظة: الرجاء استخدام معدات الوقاية الشخصية (قفازات، نظارات السلامة) أثناء الإجراء التالي.

  1. عند الانتهاء من مهمة الطباعة فتح الطابعة. إزالة منصة البناء، مع الأجزاء المنتجة المرفقة، وإغلاق الطابعة.
  2. فتح محطة الغسيل، مليئة بكحول الأيزوبروبيل، وإدراج منصة البناء. بدء تشغيل الإجراء وشطف لمدة 20 دقيقة لإزالة أي راتنج الممتص.
  3. عند الانتهاء من الإجراء الشطف إزالة منصة البناء من محطة الغسيل وفصل النماذج الأولية من منصة البناء.
  4. تتيح النماذج الأولية للهواء الجاف لمدة 30 دقيقة. وفي الأثناء، يسخن الفرن الأشعة فوق البنفسجية عند 60 درجة مئوية.
    ملاحظة: التدفئة وسوف يستغرق 15 دقيقة على الأقل. طول موجه الأشعة فوق البنفسجية من الفرن هو 405 نانومتر، مطابقة للطول الموجي لليزر جيش تحرير السودان.
  5. فتح الفرن الأشعة فوق البنفسجية، ووضع النماذج الأولية بسرعة على منصة الدورية. إغلاق فرن الأشعة فوق البنفسجية وعلاج لمدة 60 دقيقة عند 60 درجة مئوية لضمان اكتمال التحويل.
  6. عند الانتهاء من هذا الإجراء بعد علاج فتح الفرن الأشعة فوق البنفسجية وإخراج النماذج الأولية.

4-توصيف مورفولوجيا سطح من النماذج على شكل مركب

ملاحظة: انظر بنا العمل السابقة12 لمزيد من التفاصيل في هذا الباب.

  1. قص ca. 1 سم الحلزون الداخلي من النموذج على شكل معقدة باستخدام شفرة حلاقة.
  2. إرفاق العينة لصاحب العينة مع شريط مزدوج الوجهين الكربون موصل.
  3. قبل التصوير، ومعطف العينة مع 30 نانومتر Pt/Pd (80:20) على نظام اﻷخرق.
  4. إدراج العينة في المسح الإلكتروني المجهري تعمل جهد متسارع من 5 كيلو فولت. الحصول على العديد من الصور للعينة على 30 X و 120 X التكبير.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

يتم عرض أربعة راتنج الممثل التراكيب في الجدول 1، جنبا إلى جنب مع بهم بيولوجي متوسط الكربون المحتوى (قبل الميلاد) المستمدة من قبل الميلاد فرادى المكونات. يتأثر بنسبة مونومرات acrylate وليغومرات اللزوجة الراتنج (الشكل 1) وعادة ما يوضح سلوك نيوتن. وتحددت الخواص الميكانيكية للأجزاء المصنعة من راتنجات المختلفة بتحليل الإجهاد-الانفعال. يعرض الرقم 2 نتائج الممثل على جهاز اختبار عالمية فيما يتعلق بمعامل ه وقوة الشد. أثر ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

يتم تطبيق التصنيع المضافة في تصنيع نماذج معدّة خصيصا وسلسلة صغيرة، عند ارتفاع تكاليف إنتاج كل جزء يمكن أن تتنافس مع العمليات التقليدية حيث لا حاجة لإنتاج قوالب وأدوات. وفي العقد الماضي، نمت الإيرادات من الخدمات والمنتجات ذات الصلة بتصنيع المواد المضافة بشكل كبير13. جزء أكبر من مبيعات المواد من فوتوبوليميرس. النمو جذبت الاهتمام وبدأت استثمارات الصناعات الرئيسية، مثلاً، طب الفضاء الجوي، السيارات،. ولذلك، من المتوقع مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد التوسع في السنوات المقبلة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

شكر وتقدير

أيد "جرينباك البوليمر التطبيق المركز" هذه الدراسة كجزء من مشروع 140413: "3D الطباعة في الإنتاج". نود أن نعترف ألبرت هارتمان، كورين van نورديني, Rens فإن ليوفن، بروينس أننييك، تامينجا فمكا، Jur van ديجكين وألبرت وورتمان لتسهيل إطلاق النار على الفيديو.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
الأكريلات الأيزوبورنيل  SartomerSA5102مونومر أكريليت
1،10-ديكانيديول دياكريليتسارتومرSA5201مونومر أكريليت
خماسي الإريثريتول رباعي أكريليتسارتومرSA5400مونومر أكريليت
متعدد الوظائف إيبوكسي أكريليتسارتومرSA7101أكريليت أوليغومر
ثنائي الفينيل (2،4،6-ثلاثي ميثيل بنزويل) أكسيد الفوسفين (TPO) ، 97٪سيجما ألدريتش415952Photoinitiator
2،5-bis (5-tert< / em>-butyl-benzoxazol-2-yl) thiophene (BBOT) ، 99٪Sigma Aldrich223999امتصاص
بصري كحول الأيزوبروبيل (IPA) ، 99٪Bleko1010500لحمام الكحول (يطبق في Form Wash) Paar
Physica MCR300 & nbsp ؛Anton Paar-Rheometerمع هندسة لوحة متوازية
Form 2 PrinterFormlabs-DesktopSLA 3D طابعة
Form Wash فورملابز-محطة
غسيل فورم كيورفورملابز-فرن الأشعة فوق البنفسجية
Instron 4301 1KN Series IXInstron-Universalآلة اختبار
Philips XL30 ESEM-FEG & nbsp ؛مجهر إلكتروني منPhilips-Scanning

المراجع

  1. Van Wijk, A., van Wijk, I. 3D Printing with Biomaterials: Towards a Sustainable and Circular Economy. , IOS Press. Amsterdam. (2015).
  2. Gross, B. C., Erkal, J. L., Lockwood, S. Y., Chen, C., Spence, D. M. Evaluation of 3D Printing and Its Potential Impact on Biotechnology and the Chemical Sciences. Analytical Chemistry. 86, 3240-3253 (2014).
  3. Chia, H. N., Wu, B. M. Recent advances in 3D printing of biomaterials. Journal of Biological Engineering. 9, 4(2015).
  4. Mechels, F. P. W., Feijen, J., Grijpma, D. W. A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering. Biomaterials. 31, 6121-6130 (2010).
  5. Skoog, S. A., Goering, P. L., Narayan, R. J. Stereolithography in tissue engineering. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 25, 845-856 (2014).
  6. Bhatia, S. K., Ramadurai, K. W. 3D Printing and Bio-Based Materials in Global Health. , Springer. Cham. (2017).
  7. Oskui, S. M., Diamante, G., Liao, C., Shi, W., Gan, J., Schlenk, D., Grover, W. H. Assessing and Reducing the Toxicity of 3D-Printed Parts. Environmental Science & Technology Letters. 3, 1-6 (2016).
  8. Gong, H., Beauchamp, M., Perry, S., Woolley, A. T., Nordin, G. P. Optical approach to resin formulation for 3D printed microfluidics. RSC Advances. 5, 106621-106632 (2015).
  9. Zarek, M., Layani, M., Cooperstein, I., Sachyani, E., Cohn, D., Magdassi, S. 3D printing of shape memory polymers for flexible electronic devices. Advanced Materials. 28, 4449-4454 (2016).
  10. Ligon-Auer, S. C., Schwentenwein, M., Gorsche, C., Stampfl, J., Liska, R. Toughening of photo-curable polymer networks: A review. Polymer Chemistry. 7, 257-286 (2016).
  11. Miao, S., Zhu, W., Castro, N. J., Nowicki, M., Zhou, X., Cui, H., Fisher, J. P., Zhang, L. G. 4D printing smart biomedical scaffolds with novel soybean oil epoxidized acrylate. Scientific Reports. 6, 27226(2016).
  12. Voet, V. S. D., Strating, T., Schnelting, G. H. M., Dijkstra, P., Tietema, M., Xu, J., Woortman, A. J. J., Loos, K., Jager, J., Folkersma, R. Biobased acrylate photocurable resin formulation for stereolithographic 3D printing. ACS Omega. 3, 1403-1408 (2018).
  13. Ligon-Auer, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., Mülhaupt, R. Polymers for 3D Printing and Customized Additive Manufacturing. Chemical Reviews. 117, 10212-10290 (2017).
  14. Weng, Z., Zhou, Y., Lin, W., Senthil, T., Wu, L. Structure-property relationship of nano enhanced stereolithography resin for desktop SLA 3D printer. Composites: Part A. 88, 234-242 (2016).
  15. Scalera, F., Esposito Corcione, C., Montagna, F., Sannino, A., Maffezzoli, A. Development and characterization of UV curable epoxy/hydroxyapatite suspensions for stereolithography applied to bone tissue engineering. Ceramics International. 40, 15455-15462 (2014).
  16. Lee, H., Fang, N. X. Micro 3D Printing using a digital projector and its application in the study of soft materials mechanics. Journal of Visualized Experiments. (69), e4457(2012).
  17. Huemer, K., Squirrell, J. M., Swader, R., Pelkey, K., LeBert, D. C., Huttenlocher, A., Eliceiri, K. W. Long-term live imaging device for improved experimental manipulation of zebrafish larvae. Journal of Visualized Experiments. (128), e56340(2017).
  18. Decker, C. Light-induced crosslinking polymerization. Polymer International. 51, 1141-1150 (2002).
  19. Elliot, J. E., Bowman, C. N. Predicting network formation of free radical polymerization of multifunctional monomers. Polymer Reaction Engineering. 10, 1-19 (2002).
  20. Ellakwa, A., Cho, N., Lee, I. B. The effect of resin matrix composition on the polymerization shrinkage and rheological properties of experimental dental composites. Dental Materials. 23, 1229-1235 (2007).
  21. Charton, C., Falk, V., Marchal, P., Pla, F., Colon, P. Influence of Tg, viscosity and chemical structure of monomers on shrinkage stress in light-cured dimethacrylate-based dental resins. Dental Materials. 23, 1447-1459 (2007).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

SLA

مقالات ذات صلة