Articolo metodologico

Stereolithographic stampa 3D con rinnovabili acrilati

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DOI:

10.3791/58177

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12 settembre 2018

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

In questo articolo

Sommario

Un protocollo per la produzione additiva con resine fotopolimeriche rinnovabili su un apparato di stereolitografia è presentato.

Abstract

L'accessibilità di costi competitivi materiali rinnovabili e la loro applicazione nella produzione di additivi è essenziale per un'economia efficiente biobased. Dimostriamo la prototipazione rapida di resine sostenibile utilizzando una stampante 3D di stereolithographic. Formulazione della resina avviene mediante semplice miscela di biobased acrilato monomeri e oligomeri con un photoinitiatior e assorbitore di ottico. Viscosità della resina è controllata dal monomero rapporto oligomero e viene determinato in funzione della velocità di taglio di un reometro con geometria parallela del piatto. Un apparato di stereolithographic addebitato con le resine biobased è impiegato per produrre prototipi a forma complessi con elevata precisione. I prodotti richiedono un post-trattamento, tra cui alcol risciacquo e irradiazione UV, per garantire una polimerizzazione completa. La caratteristica alta risoluzione e superficie eccellente finitura dei prototipi è rivelato da microscopia elettronica a scansione.

Introduzione

Prototipazione rapida consente libertà di progettazione e produzione su richiesta e che la produzione efficiente di 3D costruisce in un modo a strati1. Di conseguenza, stampa 3D come una tecnica di fabbricazione è sviluppato rapidamente in anni recenti2. Varie tecnologie sono disponibili, tutti basandosi sulla traduzione di modelli virtuali in oggetti fisici e l'applicazione di processi come estrusione, deposizione di energia diretta, solidificazione di polvere, foglio di laminazione e fotopolimerizzazione. Quest'ultima coinvolge graduale indurimento UV delle resine in fotopolimero liquido. Nel 1986, scafo e colleghi di lavoro sviluppato apparato di stereolitografia (SLA), una stampante 3D basati su laser UV. Più recentemente, un processo simile chiamato digital light processing (DLP) è diventato disponibile, in cui fotopolimerizzazione è iniziata da un proiettore. Insieme, DLP e SLA vengono denominati per stereolitografia 3D stampa3.

SLA viene applicato in alta risoluzione prototipazione e realizzazione di dispositivi biomedicali4,5. Questa tecnologia è superiore all'ampiamente usata deposizione fusa modellazione (FDM) in termini di precisione, finitura superficiale e risoluzione6. A seconda dell'architettura del prodotto, una struttura di supporto è integrata nel modello 3D per stabilizzare il costrutto durante la fabbricazione. Inoltre, un trattamento post-stampa dei pezzi prodotti è richiesto7,8. In genere, oggetti stampati vengono lavati in un bagno di alcool per sciogliere la resina non reagita, e successiva polimerizzazione in forno UV viene eseguita per garantire piena conversione della polimerizzazione9.

In generale, resine per la produzione additiva basati su Litografia si affidano fotocurabili sistemi contenenti multifunzionale acrilati o epossidi10. Le resine fotopolimeriche attuale sul mercato commerciale sono basata sui combustibili fossili e costosi, mentre la disponibilità di basso costo rinnovabili resine è necessario per facilitare la produzione locale e senza sprechi di prodotti sostenibili 3D per un biobased economia1 , 6. recentemente, resine fotopolimeriche basate su rinnovabili acrilati erano sviluppate e applicate con successo in stereolitografia 3D stampa11,12. In questo protocollo dettagliato, dimostriamo la prototipazione rapida con resine biobased su un apparato commerciale stereolitografia. Particolare attenzione è rivolta ai passaggi critici della procedura, cioè, resina formulazione e post-stampa trattamenti, per aiutare gli operatori di nuovi nel campo della produzione additiva.

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Protocollo

Attenzione: Si prega di consultare tutte le schede di dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso.

1. preparazione della resina fotocurabili

Nota: Si prega di utilizzare dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice da laboratorio) durante la procedura seguente. Vedi il nostro precedente lavoro12 per maggiori dettagli su questa sezione.

  1. Versare 50 g di 1,10-decanediol Diacrilato (SA5201) in una beuta da 500 mL.
  2. Aggiungere 1,0 g di diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) fosfinossido (TPO) e 0,40 g di 2,5 -bis(5 -tert-butil-benzoxazol-2-yl) tiofene (BBOT) al pallone.
  3. Dotare la beuta con un agitatore meccanico e agitare la miscela a 200 rpm per 5 min a temperatura ambiente per sciogliere TPO e BBOT nel monomero acrilato.
  4. Aggiungere 100 g di pentaeritritolo tetracrilato e 100 g di acrilato a resina epossidica multifunzionale (Vedi Tabella materiali) alla miscela.
  5. Mescolare il composto a 200 rpm per 30 min a 50 ° C per garantire una resina omogenea.
  6. Rimuovere l'agitatore meccanico e montare il recipiente con un tappo. Il pallone è avvolto in un foglio di alluminio per proteggere la resina fotopolimerica acrilato di biobased (BAPR) dalla luce.
    Nota: Il protocollo può essere messo in pausa qui.
  7. Coprire la piastra inferiore di un reometro con geometria di piatti paralleli con il photoresin.
  8. Impostare la distanza tra le piastre a 1 mm e coprire il reometro con un cappuccio resistente alle raggi UV.
  9. Misurare la viscosità della resina a temperatura ambiente a tassi del taglio da 0,1 a 100 s-1; ad esempio,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 e 100 s-1.

2. Stereolithographic stampa 3D con Biobased acrilati

Nota: Vedere il nostro precedente lavoro12 per maggiori dettagli su questa sezione.

  1. Accendere la stampante 3D di SLA e selezionare la modalità di apertura.
  2. Avviare il software di preparazione del modello in un computer. Scegliere impostazioni di stampa desiderato: materiale (trasparente), versione (V4) e spessore dello strato (50 µm).
  3. Aprire il modello digitale del prototipo di forma complessa, un file di lingua (STL) standard a mosaico (vedere File di codifica supplementare) e scegliere la posizione e l'orientamento sulla piattaforma di compilazione.  Caricare il processo di stampa dal software di preparazione del modello per la stampante 3D di SLA.
    Nota: A seconda dell'architettura del prodotto, una struttura di sostegno può essere integrata nel modello 3D per stabilizzare il costrutto durante la fabbricazione. In caso il prototipo di forma complessa dimostrato qui, una struttura di supporto non è necessaria se stampato normale alla direzione di compilazione.
  4. Versare 200 mL del photoresin biobased in un serbatoio di resina. Aprire la stampante 3D e montare correttamente il serbatoio di resina.
  5. Montare la piattaforma di compilazione e chiudere la stampante 3D.
  6. Avviare il processo di stampa.
  7. Attendere che la stampante 3D fabbricare prototipi a forma complesse.  Non aprire la stampante fino a quando il processo di stampa è terminato.
    Nota: Prima di stampare, assicurarsi che la stampante 3D è livellata. Per il protocollo ha dimostrato, la lunghezza d'onda del laser UV è 405 nm. La data di stampa dell'oggetto è 2,5 h.

3. post-trattamento del 3D stampato oggetti

Nota: Si prega di utilizzare dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti) durante la procedura seguente.

  1. Al termine il processo di stampa, aprire la stampante. Rimuovere la piattaforma di compilazione, con pezzi prodotti collegati e chiudere la stampante.
  2. Aprire la stazione di lavaggio, riempita con alcool isopropilico e inserire la piattaforma di compilazione. Avviare la procedura e risciacquo per 20 min rimuovere qualsiasi resina non reagito.
  3. Una volta ultimata la procedura di risciacquo, rimuovere la piattaforma di compilazione dalla stazione di lavaggio e scollegare i prototipi dalla piattaforma di compilazione.
  4. I prototipi per aria, lasciare asciugare per 30 min. Nel frattempo, preriscaldare il forno UV a 60 ° C.
    Nota: Preriscaldamento richiederà almeno 15 min. La lunghezza d'onda UV del forno è 405 nm, identica alla lunghezza d'onda del laser di SLA.
  5. Aprire il forno UV e posizionare rapidamente i prototipi sulla piattaforma rotante. Chiudere il forno UV e cura per 60 min a 60 ° C per garantire la completa conversione.
  6. Una volta ultimata la procedura di post-vulcanizzazione, aprire il forno UV e prendere dei prototipi.

4. caratterizzazione della morfologia superficiale dei prototipi di forma complessa

Nota: Vedere il nostro precedente lavoro12 per maggiori dettagli su questa sezione.

  1. Taglio ca. 1 cm dell'elica interna dal prototipo a forma complesso utilizzando una lama di rasoio.
  2. Fissare il campione per il portacampioni con nastro conduttivo double sided carbonio.
  3. Prima di formazione immagine, rivestire il campione con 30 nm Pt/Pd (80: 20) su un sistema di sputtering.
  4. Inserire il campione in un microscopio elettronico a scansione a una tensione di accelerazione di 5 kV. Acquisire diverse immagini del campione a 30x e 120 ingrandimenti.

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Risultati

Quattro composizioni di resina rappresentante vengono visualizzati in tabella 1, insieme al loro contenuto di carbonio biobased medio (BC) derivato dal AC individuale dei componenti. La viscosità della resina (Figura 1) è influenzata dal rapporto di acrilato monomeri e oligomeri e in genere viene illustrato comportamento newtoniano. Le proprietà meccaniche di parti prodotte da varie resine sono state determinate mediante analisi di sollecitaz...

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Discussione

Produzione additiva viene applicato nella fabbricazione di prototipi su misura e piccole serie, quando i più alti costi di produzione per pezzo possono competere con i processi convenzionali, poiché non vi è alcuna necessità di produzione di stampi e utensili. Nell'ultimo decennio, i ricavi da servizi e prodotti legati alla produzione di additivi sono cresciuti esponenzialmente13. La frazione più grande di vendita di materiale è da fotopolimeri. La crescita ha attirato l'attenzione e ha avviato gl...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

Questo studio è stato sostenuto dal centro di applicazione del polimero GreenPAC come parte del progetto 140413: "stampa 3D in produzione". Vorremmo riconoscere Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken e Albert Woortman per facilitare le riprese video.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Isobornil acrilatoSartomerSA5102Monomero di acrilato
1,10-decanediolo diacrilatoSartomerSA5201Monomero di acrilato
Pentaeritritolo tetraacrilatoSartomerSA5400Monomero di acrilato
Epossidico multifunzionaleSartomerSA7101Oligomero di acrilato
Ossido di difenil(2,4,6-trimetilbenzoil) fosfina (TPO), 97%Sigma Aldrich415952Fotoiniziatore
2,5-bis(5-tert-butil-benzossazol-2-il)tiofene (BBOT), 99%Sigma Aldrich223999Assorbitore ottico
Alcool isopropilico (IPA), 99%Bleko1010500Per bagno alcolico (applicato in Form Wash)
Paar Physica MCR300 Anton Paar-Reometrocon geometria a piastre parallele
Stampante Form 2 Formlabs-DesktopStampante 3D SLA
Form Wash Formlabs-Stazionedi lavaggio
Form CureFormlabs-FornoUV
Instron 4301 1KN Serie IXInstron-Macchinadi prova universale
Philips XL30 ESEM-FEG Microscopio elettronico a scansionePhilips

Riferimenti

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