Impresión 3D stereolithographic con acrilatos renovables

Prototipado rápido permite libertad de diseño y producción bajo demanda y que la fabricación eficiente de 3D construye en forma de capa por capa¹. Como resultado, la impresión 3D como una técnica de fabricación ha desarrollado rápidamente en últimos años². Varias tecnologías están disponibles, todo depende de la traducción de modelos virtuales en objetos físicos y la aplicación de procesos como extrusión, deposición de energía directa, solidificación de polvo, laminación de hoja y fotopolimerización. Este último consiste en paso a paso UV curado de resinas de fotopolímero líquido. En 1986, casco y sus colaboradores desarrollaron el aparato de la estereolitografía (SLA), una impresora 3D basada en láser UV. Más recientemente, un proceso similar llamado luz digital (DLP) de procesamiento ha estado disponible, en que photopolymerization es iniciado por un proyector de luz. Juntos, DLP y SLA se denominan estereolitografía 3D impresión³.

SLA aplica en alta resolución de prototipos y fabricación de dispositivos biomédicos^4,5. Esta tecnología es superior a la deposición fundida ampliamente utilizada modeling (FDM) en términos de precisión, acabado superficial y resolución⁶. Dependiendo de la arquitectura del producto, una estructura de apoyo está integrada en el modelo 3D para estabilizar la construcción durante la fabricación. Además, un tratamiento post-impresión de piezas fabricadas es necesario^7,8. Por lo general, objetos impresos son lavados en un baño de alcohol para disolver resina sin reaccionar y posterior curado en horno UV se realiza para garantizar la completa conversión de la polimerización⁹.

En general, resinas para la fabricación aditiva basada en litografía dependen de sistemas fotocurables que contiene acrilatos o epóxidos multifuncional¹⁰. Resinas de fotopolímeros actuales en el mercado comercial son fósil y caros, mientras que la disponibilidad de resinas renovables de bajo costo es necesario para facilitar la fabricación local y libre de residuos de productos 3D sostenibles para una economía de base biológica^{1 , 6}. recientemente, fotopolímero resinas a base de acrilatos renovables desarrolladas y aplicadas con éxito en estereolitografía 3D impresión^11,12. En este protocolo detallado, demostramos la creación rápida de prototipos con resinas de base biológica sobre un aparato comercial de estereolitografía. Se presta especial atención a los pasos críticos en el procedimiento, es decir, resina de formulación y posterior impresión de tratamientos, para ayudar a los nuevos profesionales en el campo de la fabricación aditiva.

PRECAUCIÓN: Consulte todas las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) antes de su uso.

1. preparación de resina fotocurables

Nota: Utilice equipo de protección personal (gafas, guantes, bata de laboratorio) durante el siguiente procedimiento. Ver nuestro trabajo anterior¹² para más detalles en esta sección.

1. Verter 50 g de 1, 10-Decanodiol diacrylate (SA5201) en un erlenmeyer de 500 mL.
2. Agregar 1,0 g de diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) óxido de fosfina (TPO) y 0,40 g de 2, 5 -bis(5 -terc-butil-benzoxazol-2-yl) tiofeno (BBOT) al matraz.
3. Equipar el matraz con un agitador mecánico y revolver la mezcla a 200 rpm por 5 min a temperatura ambiente con el fin de disolver el TPO y el BBOT en el monómero de acrilato.
4. Añadir 100 g de tetraacrylate de pentaeritritol y 100 g de acrilato epoxy multifuncional (véase Tabla de materiales) a la mezcla.
5. Revolver la mezcla a 200 rpm por 30 min a 50 ° C para una resina homogénea.
6. Quite el agitador mecánico y coloque el matraz con un tapón. El frasco se envuelve en papel aluminio para proteger la resina de polímetro acrilato de base biológica (BAPR) de la luz.
   Nota: El protocolo se puede detener aquí.
7. Cubrir la placa inferior de un reómetro con geometría de placas paralelas con la photoresin.
8. Ajustar el espacio entre las placas a 1 mm y cubrir el Reómetro con capucha resistente a UV.
9. Medir la viscosidad de la resina a temperatura ambiente a velocidades de corte de 0,1 a 100 s^-1; por ejemplo,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 y 100 s^-1.

2. Stereolithographic impresión 3D con biobásicos Acrylates

Nota: Vea nuestro trabajo anterior¹² para más detalles en esta sección.

1. Encienda la impresora 3D de SLA y selecciona modo abierto.
2. Inicie el software de preparación de la modelo en una computadora. Elija la configuración de impresión: material (claro), versión (V4) y espesor de la capa (50 μm).
3. Abra el modelo digital del prototipo en forma de complejo, un archivo de lenguaje (.stl) mosaico estándar (véase Archivo de codificación complementaria) y elija la ubicación y orientación en la plataforma de la construcción.  Subir el trabajo de impresión desde el software de preparación de la modelo a la impresora 3D de SLA.
   Nota: Dependiendo de la arquitectura del producto, una estructura de soporte puede integrarse en el modelo 3D para estabilizar la construcción durante la fabricación. En el caso del prototipo en forma de complejo demostrado aquí, una estructura de apoyo no es necesaria si impreso normal a la dirección de construcción.
4. Verter 200 mL de la base biológica photoresin en un tanque de resina. Abrir la impresora 3D y Monte bien el tanque de resina.
5. Montaje de la plataforma de construcción y cierre la impresora 3D.
6. Iniciar el trabajo de impresión.
7. Permita que la impresora 3D fabricar prototipos en forma complejas.  No abra la impresora hasta que haya terminado el trabajo de impresión.
   Nota: Antes de imprimir, asegúrese de que esté nivelada la impresora 3D. Para el protocolo demostrado, la longitud de onda del láser UV es 405 nm. El tiempo de impresión del objeto es h 2,5.

3. después del tratamiento de 3D imprimir objetos

Nota: Utilice equipo de protección personal (gafas, guantes) durante el siguiente procedimiento.

1. Una vez terminado el trabajo de impresión, abra la impresora. Retire la plataforma de la construcción, con las piezas producidas adjuntadas y cierre la impresora.
2. La estación de lavado, llenada de alcohol isopropílico e inserte la plataforma de la construcción. Iniciar el procedimiento y enjuague durante 20 min eliminar cualquier resina sin reaccionar.
3. Una vez finalizado el procedimiento de lavado, retire la plataforma de la construcción de la estación de lavado y separe los prototipos de la plataforma de la construcción.
4. Seque los prototipos a aire durante 30 minutos. Mientras tanto, precalentar el horno UV a 60 ° C.
   Nota: Precalentamiento tendrá por lo menos 15 minutos. La longitud de onda de UV del horno es 405 nm, idéntica a la longitud de onda del laser de SLA.
5. Abrir el horno UV y colocar rápidamente los prototipos de la plataforma giratoria. Cierre el horno UV y curación durante 60 min a 60 ° C para asegurar la conversión completa.
6. Cuando termine el procedimiento post curado, abrir el horno UV y quitar los prototipos.

4. Caracterización de la morfología superficial de prototipos en forma de complejo

Nota: Vea nuestro trabajo anterior¹² para más detalles en esta sección.

1. Cortar aprox. 1 cm de hélice interna del prototipo en forma complejo utilizando una hoja de afeitar.
2. Coloque la muestra en el portamuestras con la cinta conductiva de carbón de doble cara.
3. Antes de la proyección de imagen, capa de la muestra con 30 nm Pt/Pd (80: 20) en un sistema de pulverización catódica.
4. Inserte la muestra en un microscopio electrónico de barrido operando a un voltaje de aceleración de 5 kV. Adquirir varias imágenes de la muestra a 30 X y 120 aumentos.

Cuatro composiciones de resina representativos se muestran en la tabla 1, junto con su contenido de carbono promedio de base biológica (A.C.) derivada de el BC individual de los componentes. La viscosidad de la resina (figura 1) está influenciada por la proporción de monómeros de acrilato y oligómeros y típicamente demuestra comportamiento newtoniano. Las propiedades mecánicas de piezas fabricadas de varias resinas fueron determinadas por análisis de tensión. La figura 2 muestra el resultado representativo en una máquina de ensayos universal en términos de E-módulo y resistencia a la tracción. El efecto del tratamiento post-impresión sobre el rendimiento del producto se muestra en la figura 3. La resolución de suave superficie y de alta función de complejo en forma de prototipos es revelada por el microscopio electrónico (figura 4). La medida de la fisuración superficial se relaciona con la viscosidad de la resina inicial.

Tabla 1: R formulación de resina de acrilato enewable. Características de bioacrylate representante de resinas, con contenido de carbono de composición y la base biológica de resina.

Figura 1: comportamiento reológico de las resinas de acrilato renovables antes de la impresión 3D. Viscosidad en función de la tasa de corte para muestras BAPR sin curar. Figura está adaptada con el permiso (copyright 2018 American Chemical Society). 12 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: comportamiento mecánico de los productos 3D, fabricado a partir de varios bioresins por un aparato de estereolitografía. Resistencia a la tracción (rojo) y módulo de Young (cian) de piezas producidas de curado BAPRs. Las barras de tracción (ISO 527-2-1BA) fueron impresos normal a la dirección de construcción. Barras de error indican la desviación estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: influencia de post-impresión tratamiento en el funcionamiento mecánico de los productos 3D. Resistencia a la tracción de piezas producidas post tratados en diversas condiciones. Las barras de tracción (ISO 527-2-1BA) fueron impresos normal a la dirección de construcción. Barras de error indican la desviación estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: representación Visual y microscópica de prototipos en forma de complejo fabricado a partir de varios bioresins por un aparato de estereolitografía. (A) foto del prototipo de Torre Torre impreso con BAPR-α (arriba) y SEM imágenes de hélice interna correspondiente (parte inferior). (B) foto del prototipo de Torre Torre impreso con BAPR-β (arriba) y SEM imágenes de hélice interna correspondiente (parte inferior). (C) foto del prototipo de Torre Torre impreso con BAPR-γ (arriba) y SEM imágenes de hélice interna correspondiente (parte inferior). (D) foto del prototipo de Torre Torre impreso con BAPR-δ (arriba) y SEM imágenes de hélice interna correspondiente (parte inferior). Figura está adaptada con permiso (copyright 2018 American Chemical Society)12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Los autores no tienen nada que revelar.