Köraform 3D-Druck mit erneuerbaren Acrylaten

Rapid-Prototyping bedarfsgesteuerte Produktion und Design-Freiheit ermöglicht und erlaubt, dass die effiziente Herstellung von 3D in einer Schicht für Schicht Weise¹konstruiert. Infolgedessen hat 3D-Druck als Herstellung Technik schnell in den letzten Jahren²entwickelt. Verschiedene Technologien zur Verfügung, alle unter Berufung auf die Übersetzung von virtuellen Modellen in physische Objekte und Prozesse wie z. B. Extrusion, direkte Energie Ablagerung, Pulver Erstarrung, Blatt Laminieren und Photopolymerisation anwenden. Dieser umfasst schrittweise UV-Härtung von flüssigen Photopolymer-Harzen. Im Jahr 1986 entwickelt Rumpf und Kollegen Vorrichtung Stereolithographie (SLA), ein UV-Laser-basierten 3D Drucker. In jüngerer Zeit, ein ähnlicher Prozess namens digital Light processing (DLP) verfügbar geworden sind, in welche Photopolymerisation durch ein Lichtprojektor initiiert wird. Zusammen, sind DLP und SLA Stereolithografie 3D Druck³genannt.

SLA ist in hoher Auflösung Prototyping und Fertigung von biomedizinischer Geräte^4,5angewendet. Diese Technologie ist besser als weit verbreitete fused Deposition modeling (FDM) in Bezug auf Genauigkeit, Oberflächenveredelung und Auflösung⁶. Je nach Architektur des Produkts ist eine Unterstützungsstruktur im 3D-Modell, das Konstrukt zu stabilisieren während der Fertigung integriert. Darüber hinaus ist eine Post-Druck Behandlung der hergestellten Teile erforderlich^7,8. In der Regel gedruckte Objekte werden in einem Alkohol-Bad aufzulösen nicht umgesetztes Harz gewaschen und anschließende Aushärtung im Backofen UV wird durchgeführt, um die vollständige Umwandlung der Polymerisation⁹zu gewährleisten.

Im Allgemeinen setzen Harze für Lithographie-basierte additive Fertigung auf lichthärtenden Systeme mit multifunktionalen Acrylaten oder Epoxide¹⁰. Aktuelle Photopolymer-Harze auf dem kommerziellen Markt sind fossile und teuer, während die Verfügbarkeit von kostengünstigen erneuerbare Harze benötigt wird, um abfallfreie und lokale Herstellung von nachhaltigen 3D-Produkte für einen biobasierten Wirtschaft¹ zu erleichtern ^{, 6}. vor kurzem Photopolymer Harze basierend auf erneuerbaren Acrylaten entwickelt und erfolgreich in Stereolithographie 3D Druck^11,12angewendet wurden. In diesem ausführlichen Protokoll zeigen wir das rapid Prototyping mit biobasierten Harzen auf einem kommerziellen Stereolithographie-Apparat. Besonderes Augenmerk ist zu kritischen Schritte des Verfahrens, d. h. Harz Formulierung und Post-Drucken-Behandlungen, neue Praktiker im Bereich der additiven Fertigung helfen.

Achtung: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Gebrauch.

1. Vorbereitung des lichthärtenden Harz

Hinweis: Verwenden Sie persönlichen Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel) während der folgenden Prozedur. In diesem Abschnitt entnehmen Sie unserer bisherigen Arbeit¹² Näheres.

1. Gießen Sie 50 g 1,10-Decanediol Diacrylate (SA5201) in einen 500-mL-Erlenmeyerkolben.
2. Fügen Sie 1,0 g diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphin-Oxid (TPO) und 0,40 g 2,5 -BIZ(5 -Tert-Butyl-Benzoxazol-2-Yl) Thiophen (BBOT) in den Kolben.
3. Ausrüsten des Kolbens mit einem mechanischen Rührwerk und rühren Sie die Mischung bei 200 u/min für 5 min bei Raumtemperatur um TPO und BBOT in das Acrylat-Monomer aufzulösen.
4. Geben Sie 100 g Pentaerythritol-Tetraacrylate und 100 g multifunktionale Epoxy-Acrylat (siehe Tabelle der Materialien), die Mischung.
5. Rühren Sie die Mischung bei 200 u/min für 30 min bei 50 ° C zu eine homogenere Harz zu gewährleisten.
6. Die mechanische Rührer entfernen und einsetzen des Kolbens mit einem stopfen. Der Kolben ist verpackt in Alufolie um den biobasierten Acrylat Photopolymer Harz (BAPR) vor Licht zu schützen.
   Hinweis: Das Protokoll kann hier angehalten werden.
7. Decken Sie die Bodenplatte ein Rheometer mit Parallel-Plattengeometrie mit der Photoresin.
8. Abstand zwischen den Platten bei 1 mm einstellen und dem Rheometer mit UV beständig Kapuze zu decken.
9. Messen Sie die Harz-Viskosität bei Raumtemperatur bei Scherraten von 0,1 bis 100 s^-1; z. B.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, und 100 s^-1.

(2) Köraform 3D-Druck mit biobasierten Acrylaten

Hinweis: Siehe unsere bisherige Arbeit¹² für weitere Details auf diesem Abschnitt.

1. Schalten Sie die SLA-3D-Drucker und wählen Sie öffnen Modus.
2. Starten Sie die Modell-Vorbereitung-Software auf einem Computer. Wählen Sie die gewünschten Druckeinstellungen: Material (klar), Version (V4) und Schichtdicke (50 µm).
3. Öffnen Sie das digitale Modell des Prototyps komplex geformten, eine standard tesselation-Sprachdatei (STL) (siehe Zusätzliche Codierung Datei) und wählen Sie die Position und Ausrichtung auf der Bauplattform.  Laden Sie den Druckauftrag aus der Modell-Software zur Vorbereitung auf die SLA-3D-Drucker.
   Hinweis: Abhängig von der Architektur des Produkts eine Unterstützungsstruktur im 3D-Modell, das Konstrukt während der Fertigung zu stabilisieren sind integrierbar. Im Falle der komplex geformten Prototyp demonstriert hier ist eine Unterkonstruktion nicht erforderlich, wenn senkrecht zur Build gedruckt.
4. Gießen Sie 200 mL von biobasierten Photoresin in einem Harz-Tank. Öffnen Sie den 3D Drucker und montieren Sie die Harz-Tank ordnungsgemäß zu.
5. Montieren Sie der Bauplattform und schließen Sie den 3D Drucker.
6. Starten Sie den Druckauftrag.
7. Lassen Sie den 3D Drucker komplex geformte Prototypen herzustellen.  Öffnen Sie den Drucker nicht, bis der Druckauftrag abgeschlossen ist.
   Hinweis: Vor dem Drucken, stellen Sie sicher, dass der 3D-Drucker abgeglichen wird. Für die nachgewiesene Protokoll ist die Wellenlänge der UV-Laser 405 nm. Die Druckzeit des Objekts beträgt 2,5 h.

3. Nachbehandlung von 3D Objekten gedruckt

Hinweis: Verwenden Sie persönlichen Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe) während der folgenden Prozedur.

1. Wenn der Druckauftrag abgeschlossen ist, öffnen Sie den Drucker. Entfernen Sie die Bauplattform mit der produzierten Teile befestigt, und schließen Sie den Drucker.
2. Öffnen Sie die Waschstation, gefüllt mit Isopropyl-Alkohol, und fügen Sie der Bauplattform. Starten Sie das Verfahren und die Spülung für 20 min, kein umgesetztes Harz zu entfernen.
3. Wenn die Spülung Verfahren abgeschlossen ist, entfernen Sie die Bauplattform aus der Waschanlage und lösen Sie die Prototypen aus der Bauplattform.
4. Lassen Sie die Prototypen in die Luft für 30 min trocknen. In der Zwischenzeit Backofen Sie den UV bei 60 ° C.
   Hinweis: Vorheizen dauert mindestens 15 Minuten. Die UV-Wellenlänge des Ofens beträgt 405 nm, identisch mit der Wellenlänge des Lasers SLA.
5. Öffnen Sie den UV-Backofen und schnell die Prototypen auf die sich drehende Plattform. Schließen Sie die UV-Ofen und Heilung für 60 min bei 60 ° C, um die vollständige Umwandlung zu gewährleisten.
6. Wenn die Post-heilende Verfahren abgeschlossen ist, öffnen Sie den UV-Backofen und nehmen Sie die Prototypen.

4. Charakterisierung der Oberflächenmorphologie von komplex geformten Prototypen

Hinweis: Siehe unsere bisherige Arbeit¹² für weitere Details auf diesem Abschnitt.

1. Schneiden Sie ca. 1 cm interne Helix vom komplex geformte Prototyp mit einer Rasierklinge.
2. Der Probenhalter mit Doppel doppelseitigen Kohlenstoff leitfähige Band Probe zuordnen.
3. Vor der Bildgebung, Mantel die Probe mit 30 nm Pt/Pd (80: 20) auf eine Sputteranlage.
4. Legen Sie die Probe in ein Raster-Elektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV. Erwerben Sie mehrere Bilder der Probe bei 30 X und 120 X Vergrößerung.

Vier Vertreter Harz Kompositionen sind in Tabelle 1, zusammen mit ihre durchschnittliche biobasierten Kohlenstoffgehalt (BC) abgeleitet von den einzelnen BC der Komponenten angezeigt. Die Viskosität des Harzes (Abbildung 1) wird durch das Verhältnis von Acrylat-Monomere und Oligomere beeinflusst und in der Regel zeigt Newtonsches Verhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Teile, die aus verschiedenen Harzen hergestellt wurden durch Belastungs-Beanspruchungs-Analyse bestimmt. Abbildung 2 zeigt die repräsentative Ergebnisse auf einer Universalprüfmaschine in Bezug auf E-Modul und Zugfestigkeit. Die Wirkung des Post-Druck auf die Produktleistung ist in Abbildung 3dargestellt. Die glatte Oberfläche und hohe Funktion Auflösung der komplex geformten Prototypen erschließt sich durch das Elektronenmikroskop (Abbildung 4). Das Ausmaß der Oberfläche Risse bezieht sich auf die ersten Harz Viskosität.

Tabelle 1: R Enewable Acrylat Harz Formulierung. Merkmale der repräsentativen Bioacrylate Harze, Harz Zusammensetzung und Biobasierte Kohlenstoffgehalt darstellt.

Abbildung 1: rheologische Verhalten von erneuerbaren Acrylat-Harzen vor 3D-Druck. Viskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit für noch nicht ausgehärteten BAPR Proben. Abbildung ist mit Erlaubnis (Copyright 2018 American Chemical Society) angepasst. 12 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: mechanische Leistung des 3D Produkte, hergestellt aus verschiedenen Bioresins durch eine Stereolithographie-Apparat. Zugfestigkeit (rot) und des Elastizitätsmoduls (Cyan) der produzierten Teile von ausgehärteten BAPRs. Zugfestigkeit (ISO 527-2-1BA) Balken wurden senkrecht zur Build gedruckt. Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: Einfluss der Post-Behandlung auf die mechanische Leistung von 3D Produkten drucken. Zugfestigkeit von produzierten Teilen Post-unter verschiedenen Bedingungen behandelt. Zugfestigkeit (ISO 527-2-1BA) Balken wurden senkrecht zur Build gedruckt. Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4: visuelle und mikroskopische Darstellung von komplex geformten Prototypen von einem Stereolithographie-Apparat aus verschiedenen Bioresins hergestellt. (A) Foto von Turm Turm Prototyp bedruckt mit BAPR-α (oben) und SEM Bilder der entsprechenden internen Helix (unten). (B) Foto von Turm Turm Prototyp bedruckt mit BAPR-β (oben) und SEM Bilder der entsprechenden internen Helix (unten). (C) Foto von Turm Turm Prototyp bedruckt mit BAPR-γ (oben) und SEM Bilder der entsprechenden internen Helix (unten). (D) Foto von Turm Turm Prototyp bedruckt mit BAPR-δ (oben) und SEM Bilder der entsprechenden internen Helix (unten). Abbildung ist mit Erlaubnis (Copyright 2018 American Chemical Society)12angepasst. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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