Stéreolithographie impression 3D avec renouvelables Acrylates

Résumé

Un protocole de fabrication additive avec des résines de photopolymère renouvelables sur un appareil de stéréolithographie est présenté.

Résumé

L’accessibilité des matières renouvelables compétitives et leur application dans la fabrication additive est essentielle pour une économie biologique efficace. Nous démontrons le prototypage rapide de résines durables à l’aide d’une imprimante 3D stéreolithographie. Formulation de résine s’effectue par simple mélange de biobased acrylate monomères et oligomères avec un photoinitiatior et un absorbeur d’optique. Viscosité de la résine est contrôlée par le monomère ratio oligomère et est déterminée en fonction de la vitesse de cisaillement par un rhéomètre avec géométrie de plaques parallèles. Un appareil de stéreolithographie chargé avec les résines biobased est employé pour produire des prototypes en forme complexes avec une grande précision. Les produits nécessitent un traitement post, y compris le rinçage de l’alcool et aux rayons UV, afin d’assurer une polymérisation complète. La résolution haute fonctionnalité et une excellente surface de finition des prototypes est révélée par la microscopie électronique à balayage.

Introduction

Prototypage rapide permet la liberté de conception et de production à la demande et permet que la fabrication efficace de 3D construit dans une couche-par-couche façon¹. Par conséquent, l’impression 3D comme une technique de fabrication s’est développée rapidement ces dernières années². Diverses technologies sont disponibles, tout en s’appuyant sur la traduction de modèles virtuels en objets physiques et en appliquant des processus tels que l’extrusion, dépôt d’énergie directe, solidification de poudre, laminage de tôles et photopolymérisation. Le second fait intervenir par étapes UV de polymérisation des résines de photopolymère liquide. En 1986, Hull et ses collègues ont développé l’appareil de stéréolithographie (SLA), une imprimante 3D par laser UV. Plus récemment, un processus similaire appelé digital light processing (DLP) est devenu disponible, dans laquelle photopolymérisation est initiée par un projecteur de lumière. Ensemble, DLP et SLA sont dénommés stéréolithographie 3D impression³.

SLA est appliquée en haute résolution prototypage et fabrication de dispositifs biomédicaux^4,5. Cette technologie est supérieure à la déposition fusionnée couramment modeling (FDM) en termes de précision, la finition de surface et⁶de la résolution. Selon l’architecture du produit, une structure de soutien est intégrée dans le modèle 3D pour stabiliser la construction pendant la fabrication. En outre, un traitement après impression des pièces fabriquées est obligatoire,^7,8. En règle générale, les objets imprimés sont lavés dans un bain d’alcool pour dissoudre la résine n’a pas réagi et durcissement ultérieur dans un four UV est effectué afin de garantir une conversion totale de la polymérisation⁹.

En général, résines pour la fabrication additive axée sur la lithographie reposent sur des systèmes de photodurcissable contenant les acrylates ou époxydes multifonctions¹⁰. Résines de photopolymère actuelle sur le marché commercial sont fossile et coûteux, tandis que la disponibilité de résines renouvelables peu coûteux est nécessaire pour faciliter la fabrication locale et sans déchets de produits 3D durables pour une économie de biobased^{1 , 6}. récemment, résines de photopolymère issus des acrylates renouvelables élaborés et appliqués avec succès dans la stéréolithographie 3D impression^11,12. Dans ce protocole détaillé, nous démontrons la prototypage rapide avec des résines biobased sur un appareil commercial de stéréolithographie. Est une attention particulière à des étapes cruciales dans la procédure, c'est-à-dire, traitements de formulation et après impression résine, pour aider les nouveaux praticiens dans le domaine de la fabrication additive.

Protocole

ATTENTION : Veuillez consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation.

1. préparation de la résine photodurcissable

NOTE : Veuillez utiliser les équipement de protection individuelle (gants, lunettes de sécurité, blouse de laboratoire) au cours de la procédure suivante. Voir nos anciens travaux¹² pour plus de détails sur cette section.

1. Verser 50 g de diacrylate de 1,10-decanediol (SA5201) dans un erlenmeyer de 500 mL.
2. Ajouter 1,0 g de diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) oxyde de phosphine (TPO) et 0,40 g de 2, 5 -bis(5 -tert-butyl-benzoxazol-2-yl) thiophène (BBOT) dans le ballon.
3. Équiper la fiole avec un agitateur mécanique et remuez le mélange à 200 tr/min pendant 5 min à température ambiante afin de dissoudre les TPO et BBOT dans le monomère d’acrylate d’éthyle.
4. Ajouter 100 g de tétraacrylate de pentaérythritol tétranitrate et 100 g d’acrylate multifonctionnel époxy (voir Table des matières) au mélange.
5. Incorporer le mélange à 200 tr/min pendant 30 min à 50 ° C pour assurer une résine homogène.
6. Enlever l’agitateur mécanique et monter le ballon avec un bouchon. Le flacon est emballé dans du papier d’aluminium pour protéger la résine de photopolymère biobased acrylate d’éthyle (BAPR) de la lumière.
   Remarque : Le protocole peut être suspendu ici.
7. Couvrir la plaque de fond d’un rhéomètre à géométrie parallèle-plaque avec la photoresin.
8. La valeur de l’écart entre les plaques à 1 mm et couvrir le rhéomètre avec un capuchon résistant aux UV.
9. Mesurer la viscosité de la résine à la température ambiante à des vitesses de cisaillement de 0,1 à 100 s^-1; par exemple,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 et 100 s^-1.

2. stéreolithographie impression 3D avec Biobased Acrylates

Remarque : Consultez nos anciens travaux¹² pour plus de détails sur cette section.

1. Allumez l’imprimante 3D de SLA et sélectionnez le mode d’ouverture.
2. Démarrez le logiciel de préparation de modèle sur un ordinateur. Choisir les paramètres d’impression désiré : matériel (Clear), version (V4) et épaisseur de la couche (50 µm).
3. Ouvrez le modèle numérique du prototype en forme de complexe, un fichier de langue (.stl) pavage standard (voir la Fiche de codage supplémentaire) et choisissez l’emplacement et l’orientation sur la plateforme de génération.  Télécharger le travail d’impression à l’imprimante 3D SLA depuis le logiciel de préparation de modèle.
   Remarque : Selon l’architecture du produit, une structure de soutien peut être intégrée dans le modèle 3D pour stabiliser la construction pendant la fabrication. Le prototype de forme complexe démontré ici, dans le cas d’une structure d’appui n’est pas requise si imprimé perpendiculaires à la direction de la construction.
4. Versez 200 mL de le photoresin biologique dans un réservoir de résine. Ouvrez l’imprimante 3D et monter le réservoir résine correctement.
5. Installez la plate-forme construction et fermer l’imprimante 3D.
6. Démarrer le travail d’impression.
7. Laisser l’imprimante 3D fabriquer des prototypes de forme complexes.  N’ouvrez pas l’imprimante jusqu'à ce que le travail d’impression est terminé.
   Remarque : Avant d’imprimer, assurez-vous que l’imprimante 3D est nivelé. Pour le protocole démontré, la longueur d’onde du laser UV est de 405 nm. Le temps d’impression de l’objet est de 2,5 h.

3. après le traitement de la 3D imprimé objets

Remarque : Utilisez les équipements de protection individuelle (lunettes, gants) au cours de la procédure suivante.

1. Lorsque le travail d’impression est terminé, ouvrez l’imprimante. Enlever la plate-forme de construction, avec les pièces produites attachés et fermer l’imprimante.
2. Ouvrez la station de lavage, remplie de l’alcool isopropylique et insérez la plateforme de génération. Commencer la procédure et rincer pendant 20 min enlever toute résine n’a pas réagi.
3. Lorsque la procédure de rinçage est terminée, retirer la plate-forme construction de la station de lavage et détacher les prototypes de la plate-forme de construction.
4. Les prototypes à l’air laisser sécher pendant 30 min. Entre-temps, Préchauffer le four UV à 60 ° C.
   Remarque : Préchauffage prendra au moins 15 min. La longueur d’onde UV du four est de 405 nm, identique à la longueur d’onde du laser SLA.
5. Ouvrez le four UV et placer rapidement des prototypes sur la plate-forme tournante. Fermer le four UV et la guérison pendant 60 min à 60 ° C pour assurer une conversion complète.
6. Lorsque la procédure après polymérisation est terminée, ouvrez le four UV et retirer les prototypes.

4. caractérisation de la morphologie de Surface des Prototypes de formes complexes

Remarque : Consultez nos anciens travaux¹² pour plus de détails sur cette section.

1. Couper env. 1 cm d’hélice interne du prototype de forme complexe à l’aide d’une lame de rasoir.
2. Fixer l’échantillon sur le porte-échantillon avec auto-ADHESIF double face carbone.
3. Avant l’imagerie, enrober l’échantillon avec 30 nm Pt et du perfectionnement professionnel (80/20) sur un système de pulvérisation.
4. Introduire l’échantillon dans un microscope électronique fonctionnant à une tension d’accélération de 5 kV. Acquérir plusieurs images de l’échantillon à 30 X et 120 X grossissement.

Résultats

Quatre compositions de résine représentant sont affichées dans le tableau 1, ainsi que leur teneur en carbone moyen biologique (BC) dérivé de la BC individuel des composants. La viscosité de la résine (Figure 1) est influencée par le rapport de l’acrylate d’éthyle monomères et oligomères et montre généralement comportement newtonien. Les propriétés mécaniques des pièces fabriquées à base de résines diverses ont été déterminées par l’analyse d...

Discussion

Fabrication additive est appliquée dans la fabrication de prototypes sur mesure et de petites séries, lorsque les coûts de production plus élevés chaque partie ne peuvent rivaliser avec les procédés classiques puisqu’il n’y a pas besoin pour la production de moules et d’outils. Au cours de la dernière décennie, les revenus provenant des services et produits liés à la fabrication additive ont connu une croissance exponentielle¹³. La fraction la plus importante des ventes de matériel provient des ph...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Acrylate d’isobornyle  ;	Sartomer	SA5102	Acrylate monomère
1,10-décanediol diacrylate	Sartomer	SA5201	Acrylate monomère
Pentaérythritol tétraacrylate	Sartomère	SA5400	Acrylate monomère
époxy multifonctionnel	Sartomer	SA7101	Acrylate oligomère
Diphényl(2,4,6-triméthylbenzoyl) oxyde de phosphine (TPO), 97 %	Sigma Aldrich		415952 Photoinitiateur
2,5-bis(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl)thiophène (BBOT), 99 %	Sigma Aldrich	223999	Absorbeur optique
Alcool isopropylique (IPA), 99 %	Bleko	1010500	Pour bain d’alcool (appliqué en Form Wash)
Paar Physica MCR300  ;	Rhéomètre Anton Paar		avec géométrie de plaque parallèle
Imprimante Form 2	Formlabs-Desktop		SLA Imprimante 3D
Form Wash  ;	Formlabs-Station		de lavage
Form Cure	Formlabs-Four		UV
Instron 4301 1KN Série IX	d’essai	Instron-Universal
Philips XL30 ESEM-FEG  ;		Microscope électronique	à balayage Philips

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