本文介绍了一种在立体光刻设备上使用可再生光敏聚合物树脂进行增材制造的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
具有成本竞争力的可再生材料的可获得性及其在增材制造中的应用，对于高效的生物基经济至关重要。我们展示了利用立体光刻3D打印机快速制备可持续性树脂的方法。树脂配方通过将生物基丙烯酸酯单体和低聚物与光引发剂及光学吸收剂简单混合而成。通过调节单体与低聚物的比例来控制树脂黏度，并使用带平行板几何结构的流变仪测定其随剪切速率变化的黏度特性。采用装载了生物基树脂的立体光刻装置，可制造出形状复杂且精度高的原型样品。产品需进行后续处理，包括酒精冲洗和紫外照射，以确保完全固化。扫描电子显微镜显示，所制得原型具有高特征分辨率和优异的表面光洁度。
引言
快速成型技术能够实现按需生产和设计自由，并允许以逐层方式高效制造三维结构1。因此，作为一种制造技术，3D打印近年来发展迅速2。目前已有多种技术可供选择，这些技术均依赖于将虚拟模型转化为物理对象，并采用挤出、直接能量沉积、粉末固化、片材层压和光聚合等工艺。其中，光聚合涉及对液态光敏树脂进行逐步紫外光固化。1986年，Hull及其同事开发了立体光刻装置（SLA），这是一种基于紫外激光的3D打印机。近年来，一种称为数字光处理（DLP）的类似技术也已问世，其通过光投影仪引发光聚合反应。DLP与SLA统称为立体光刻3D打印技术3。
立体光刻技术（SLA）被应用于生物医学器件的高分辨率原型制作与制造4,5。与广泛使用的熔融沉积成型（FDM）技术相比，该技术在精度、表面光洁度和分辨率方面具有优势6。根据产品的结构设计，需在三维模型中集成支撑结构，以在制造过程中稳定构造体。此外，打印后的部件需要进行后处理7,8。通常，打印物需在酒精浴中清洗以溶解未反应的树脂，随后在紫外烘....
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方案
警告：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。
1. 光固化树脂的制备
注意：进行以下操作时，请使用个人防护装备（安全眼镜、手套、实验服）。有关本部分的更多详细信息，请参见我们之前的工作12。
- 将50 g的1,10-癸二醇二丙烯酸酯（SA5201）倒入500 mL锥形瓶中。
- 加入1.0 g二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧化膦（TPO）和0.40 g 2,5-二(5-tert向烧瓶中加入丁基-苯并噁唑-2-基-噻吩（BBOT）。
- 将烧瓶配备机械搅拌器，在室温下以200 rpm的转速搅拌混合物5分钟，以使TPO和BBOT溶解于丙烯酸酯单体中。
- 加入100 g季戊四醇四丙烯酸酯和100 g多官能团环氧丙烯酸酯（参见 材料表) 加入混合物中。
- 在50 °C条件下以200 rpm转速搅拌混合物30分钟，以确保树脂均匀。
- 移除机械搅拌器，并用塞子塞住烧瓶。用铝箔包裹烧瓶，以保护生物基丙烯酸酯光敏树脂（BAPR）免受光照。
注意：此处可暂停本实验方案。 - 用光敏树脂覆盖流变仪平行板几何结构的下板。
- 将平板间的间隙设置为1 mm，并用....
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结果
四种代表性树脂组分如表1所示，并列出了根据各组分的生物基碳含量（BC）计算得出的平均生物基碳含量。树脂黏度（图1）受丙烯酸单体与寡聚物比例的影响，通常表现为牛顿流体行为。通过应力-应变分析测定了由不同树脂制备的零件的力学性能。图2展示了在万能试验机上测得的典型结果，包括弹性模量（E-modulus）和拉伸强度。打印后处理对产品性能的影响如图3所示。复杂形状原型件的光滑表面和高特征分辨率由电子显微镜揭示（图4）。表面开裂程度与初始树脂黏度相关。
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讨论
增材制造被应用于定制化原型和小批量产品的制造，当单件生产成本较高时，由于无需制造模具和工具，其成本仍可与传统工艺相竞争。在过去十年中，与增材制造相关的服务和产品收入呈指数级增长13材料销售中占比最大的部分来自光聚合物。这一增长引起了关注，并促使主要产业开始投资。 例如， 航空航天、汽车、医疗。因此，3D打印领域预计在未来几年将进一步扩展。
我们展示了一种在立体光刻3D打印机上利用可再生光敏聚合物树脂高效、精确且按需制造可持续产品的有效方法。以低成本的生物基丙烯酸酯作为主要成分，使这些树脂在成本上有望与商业产品相竞争。此外，生物树脂配方已成功应用于标准的SLA 3D打印工艺中，采用与商业树脂相同的流程和设置。丙烯酸酯树脂的黏度是3D打印过程中的关键参数，可通过单体与寡聚体的比例进行调控。通常，在打印过程中液态树脂铺覆阶段的剪切速率可达100 s-114,15。在此条件下，所有生物树.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究由GreenPAC聚合物应用中心资助，属于项目140413：“"生产中的3D打印"”的一部分。 我们谨向Albert Hartman、Corinne van Noordenne、Rens van Leeuwen、Anniek Bruins、Femke Tamminga、Jur van Dijken和Albert Woortman致谢，感谢他们为视频拍摄提供的协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 异冰片基丙烯酸酯 | Sartomer | SA5102 | 丙烯酸酯单体 |
| 1,10-癸二醇二丙烯酸酯 | Sartomer | SA5201 | 丙烯酸酯单体 |
| 季戊四醇四丙烯酸酯 | Sartomer | SA5400 | 丙烯酸酯单体 |
| 多官能团环氧丙烯酸酯 | Sartomer | SA7101 | 丙烯酸酯低聚物 |
| 二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧化膦 (TPO), 97% | Sigma Aldrich | 415952 | 光引发剂 |
| 2,5-双(5-叔丁基-苯并噁唑-2-基)噻吩 (BBOT), 99% | Sigma Aldrich | 223999 | 光学吸收剂 |
| 异丙醇 (IPA), 99% | Bleko | 1010500 | 用于酒精浴（在Form Wash中使用） |
| Paar Physica MCR300 | Anton Paar | - | 配备平行板几何结构的流变仪 |
| Form 2 打印机 | Formlabs | - | 桌面型SLA 3D打印机 |
| Form Wash | Formlabs | - | 清洗站 |
| Form Cure | Formlabs | - | 紫外固化炉 |
| Instron 4301 1KN Series IX | Instron | - | 万能材料试验机 |
| Philips XL30 ESEM-FEG | Philips | - | 扫描电子显微镜 |
参考文献
- Van Wijk, A., van Wijk, I. 3D Printing with Biomaterials: Towards a Sustainable and Circular Economy. , IOS Press. Amsterdam. (2015).
- Gross, B. C., Erkal, J. L., Lockwood, S. Y., Chen, C., Spence, D. M. Evaluation of 3D Printing and Its Potential Impact on Biotechnolog....
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重印与许可
