Artículo de método

Impresión 3D stereolithographic con acrilatos renovables

9.2K vistas

⸱

DOI:

10.3791/58177

⸱

12 de septiembre de 2018

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

En este artículo

Resumen

Se presenta un protocolo para la fabricación aditiva con resinas renovables fotopolímero en un aparato de estereolitografía.

Resumen

La accesibilidad de materiales renovables competitivos en costo y su aplicación en la fabricación aditiva es esencial para una economía de base biológica eficiente. Demostramos la creación rápida de prototipos de resinas sostenibles mediante una impresora 3D de stereolithographic. Formulación de resina ocurre por simple mezcla de base biológica acrilato monómeros y oligómeros con photoinitiatior y amortiguador de óptico. Viscosidad de la resina es controlado por el monómero al cociente de oligómero y se determina en función de la tarifa del esquileo de un reómetro con geometría de placas paralelas. Un aparato de stereolithographic cargado con las resinas de base biológica se emplea para producir prototipos forma complejos con gran precisión. Los productos requieren un tratamiento posterior, como enjuague de alcohol y la irradiación UV, para asegurar un curado completo. La resolución de la característica alto y excelente superficie de acabado de los prototipos es revelado por microscopía electrónica de barrido.

Introducción

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 biomédicos4,5. 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 necesario7,8. 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 biológica1 , 6. recientemente, fotopolímero resinas a base de acrilatos renovables desarrolladas y aplicadas con éxito en estereolitografía 3D impresión11,12. 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.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

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.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

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 aná...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

Fabricación aditiva se aplica en la fabricación de prototipos a medida y pequeñas series, cuando los mayores costos de producción por parte pueden competir con los procesos convencionales ya no es necesario para la producción de moldes y herramientas. En la última década, los ingresos de servicios y productos relacionados con la fabricación aditiva han crecido de manera exponencial13. La fracción más grande de las ventas de material es de fotopolímeros. El crecimiento atrajo atención e inició las ...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este estudio fue apoyado por el centro de solicitud de polímero GreenPAC como parte del proyecto 140413: "impresión 3D en producción". Nos gustaría reconocer Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken y Albert Woortman para facilitar el rodaje del video.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Acrilato de isobornilo SartomerSA5102Monómero de acrilato
1,10-decanodiol diacrilatoSartomerSA5201Monómero de acrilato
Tetraacrilato de pentaeritritolSartomerSA5400Monómero de acrilato
Acrilato epoxi multifuncionalSartomerSA7101Oligómero de acrilato
Óxido de difenil(2,4,6-trimetilbenzoil) fosfina (TPO), 97%Sigma Aldrich415952Fotoiniciador
2,5-bis(5-tert-butil-benzoxazol-2-il)tiofeno (BBOT), 99%Sigma Aldrich223999Absorbente óptico
Alcohol isopropílico (IPA), 99%Bleko1010500Para baño de alcohol (aplicado en Form Wash)
Paar Physica MCR300 AntonPaar-Reómetrocon geometría de placa paralela
Impresora Form 2Formlabs-DesktopSLA Impresora 3D
Form Wash Formlabs-Estacióndelavado
Form CureFormlabs-HornoUV
Instron 4301 1KN Series IXInstron-Universalmáquina
de ensayos Philips XL30 ESEM-FEG Microscopio electrónico de barridoPhilips

Referencias

  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).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Formulaci n de resinaresinas de base biol gicaimpresora 3D SLAmedici n de la viscosidadtratamiento postimpresi nmicroscop a electr nica de barridorelaci n mon mero olig merocurado UV

Artículos relacionados