Köraform 3D-Druck mit erneuerbaren Acrylaten

Diese Methode kann helfen, Schlüsselthemen im Bereich der additiven Fertigung zu verstehen, wie z. B. die Harzformulierung und die Nachbehandlung nach dem Druck. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die genaue und bedarfsgerechte Herstellung nachhaltiger Produkte ermöglicht. Diese Methode wird Einblicke in die laserbasierte Stereolithographie geben, kann aber auch auf andere 3D-Drucktechniken wie die digitale Lichtverarbeitung angewendet werden.

Gießen Sie zunächst 50 Gramm 1,10-Decandiol-Diacrylat in einen 500-Milliliter-Erlenmeyerkolben. 1,0 g TPO und 0,40 g BBOT in den Kolben geben. Rüsten Sie den Erlenmeyerkolben mit einem mechanischen Rührer aus und rühren Sie das Gemisch fünf Minuten lang bei Raumtemperatur bei 200 U/min, um das TPO und BBOT im Acrylatmonomer aufzulösen.

Fügen Sie der Mischung 100 Gramm Pentaerythritroltetraacrylat und 100 Gramm multifunktionales Epoxidacrylat hinzu. Rühren Sie nun die Mischung bei 200 U/min für 30 Minuten bei 50 Grad Celsius um, um ein homogenes Harz zu erhalten. Entfernen Sie den mechanischen Rührer und setzen Sie den Kolben mit einem Stopfen auf.

Wickeln Sie den Kolben in Aluminiumfolie ein, um das biobasierte Acrylat-Photopolymerharz vor Licht zu schützen. Bedecken Sie nun die Bodenplatte eines Rheometers, das sich durch eine parallele Plattengeometrie auszeichnet, mit dem Fotoharz. Stellen Sie den Abstand zwischen den Platten auf einen Millimeter ein und decken Sie das Rheometer mit einer UV-beständigen Haube ab.

Messen Sie die Viskosität des Harzes bei Raumtemperatur mit Scherraten von 0,1 bis 100 inversen Sekunden. Schalten Sie den SLA 3D-Drucker ein und wählen Sie den Öffnen-Modus. Abhängig von der Architektur des Produktes kann eine Stützstruktur in das 3D-Modell integriert werden, um das Konstrukt während der Fertigung zu stabilisieren.

Starten Sie die Modellvorbereitungssoftware auf einem Computer. Um die gewünschten Druckeinstellungen auszuwählen, wählen Sie Löschen für Material, Version V4 und 50 Mikrometer Schichtdicke. Öffnen Sie das digitale Modell des komplex geformten Prototyps, bei dem es sich um eine Standard-Tesselationssprachdatei handelt, und wählen Sie dann den Standort und die Ausrichtung auf der Bauplattform aus.

Laden Sie den Druckauftrag auf den SLA-3D-Drucker hoch. Gießen Sie nun 200 Milliliter des biobasierten Photoresins in einen Harztank. Öffnen Sie den 3D-Drucker und montieren Sie den Harztank ordnungsgemäß.

Montieren Sie die Bauplattform und schließen Sie den 3D-Drucker. Starten Sie nach der Vorbereitung des 3D-Druckers den Druckauftrag. Lassen Sie den 3D-Drucker komplex geformte Prototypen herstellen.

Öffnen Sie den Drucker erst, wenn der Druckauftrag abgeschlossen ist. Für das demonstrierte Protokoll beträgt die Wellenlänge des UV-Lasers 405 Nanometer. Die Druckzeit des Objekts beträgt 2,5 Stunden und wird hier im Zeitraffer dargestellt.

Wenn der Druckauftrag abgeschlossen ist, öffnen Sie den Drucker. Entfernen Sie die Bauplattform mit den angehängten Teilen und schließen Sie den Drucker. Öffnen Sie die mit Isopropylalkohol gefüllte Waschstation und setzen Sie die Bauplattform ein.

Starten Sie den Vorgang und spülen Sie ihn 20 Minuten lang, um nicht umgesetztes Harz zu entfernen. Wenn der Spülvorgang abgeschlossen ist, entfernen Sie die Bauplattform von der Waschstation und lösen Sie die Prototypen von der Bauplattform. Lassen Sie die Prototypen 30 Minuten lang an der Luft trocknen.

In der Zwischenzeit den UV-Backofen auf 60 Grad Celsius vorheizen. Öffnen Sie den UV-Ofen und platzieren Sie die Prototypen schnell auf der drehbaren Plattform. Schließen Sie den UV-Ofen und härten Sie ihn 60 Minuten lang bei 60 Grad Celsius aus, um eine vollständige Umwandlung zu gewährleisten.

Wenn der Nachhärtungsvorgang abgeschlossen ist, öffnen Sie den UV-Ofen und nehmen Sie die Prototypen heraus. Um die Oberflächenmorphologie von komplex geformten Prototypen zu charakterisieren, schneiden Sie mit einer Rasierklinge etwa einen Zentimeter der inneren Helix aus dem komplex geformten Prototyp heraus. Befestigen Sie die Probe mit doppelseitigem, kohlenstoffleitfähigem Klebeband am Probenhalter.

Vor der Bildgebung wird die Probe auf einem Sputtersystem mit 30 Nanometern Platin-Palladium beschichtet. Nun wird die Probe in ein Rasterelektronenmikroskop gegeben, das mit einer Beschleunigungsspannung von fünf Kilovolt arbeitet. Nehmen Sie mehrere Bilder der Probe mit 30- und 120-facher Vergrößerung auf.

Die Viskosität des erneuerbaren Harzes ist ein wesentlicher Parameter im 3D-Druckprozess und wird durch das Monomer-Oligomer-Verhältnis gesteuert. Typischerweise wird bei der Neubeschichtung von flüssigem Harz im Druckprozess eine Scherrate von 100 inversen Sekunden erreicht. Alle Bioharze haben eine Viskosität von unter fünf Pascal Sekunden und sind für den Einsatz in stereolithographischen Druckgeräten geeignet.

Hier sind repräsentative Ergebnisse für das mechanische Verhalten der aus verschiedenen Bioharzen gedruckten Objekte, einschließlich Zugfestigkeit und E-Modul. Die Optimierung der Nachbehandlung durch Variation der Wasch-, Trocknungs-, Aushärtungsdauer und Aushärtungstemperatur kann jedoch zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Leistung führen. Die glatte Oberfläche und die hohe Merkmalsauflösung der komplex geformten Prototypen zeigt das Elektronenmikroskop.

Die gezackten vertikalen Kanten der Helices entstehen durch das schichtweise SLA-Druckverfahren, bei dem die Oberseite einer belichteten Schicht im Vergleich zur Rückseite einer Schicht eine größere UV-Dosis erhält. Das Ausmaß der Oberflächenrissbildung hängt mit der anfänglichen Viskosität des Harzes zusammen. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für die Anwendung kostengünstiger Bioharze, um eine abfallfreie und lokale Herstellung nachhaltiger Produkte zu ermöglichen.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Acrylaten gefährlich sein kann. Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen einer Schutzbrille und Handschuhe sollten bei der Durchführung dieses Verfahrens immer getroffen werden.