Stampa 3D e modifica della superficie in situ tramite polimerizzazione della catena di trasferimento della catena di addizione-frammentazione reversibile di tipo I

Il presente protocollo descrive la stampa 3D digitale basata sulla lavorazione della luce di materiali polimerici utilizzando la polimerizzazione a catena di addizione-frammentazione reversibile fotoiniziata di tipo I e la successiva post-funzionalizzazione del materiale in situ tramite polimerizzazione mediata dalla superficie. La stampa 3D fotoindotta fornisce materiali con proprietà di massa e interfacciali su misura e controllate spazialmente in modo indipendente.

Questo protocollo consente di sintonizzare in modo indipendente le proprietà di massa e interfacciali dei materiali stampati in 3D. Ciò offre una maggiore flessibilità per progettare e fabbricare materiali complessi stampati in 3D. Questa tecnica non richiede condizioni di reazione rigorose e può essere eseguita utilizzando apparecchiature disponibili in commercio.

Di conseguenza, questa tecnica rende significativamente più facile fabbricare materiali complessi stampati in 3D. Per iniziare, preparare la resina sfusa pesando 0,36 grammi di BTPA in un flaconcino ambrato pulito da 50 millilitri. Aggiungere 13,63 millilitri di polietilenglicole diacrilato e 14,94 millilitri di DMAm al flaconcino ambrato usando una micropipetta.

In un flaconcino di vetro pulito separato da 20 millilitri coperto con un foglio di alluminio, aggiungere 0,53 grammi di TPO. Utilizzando una micropipetta, aggiungere 10 millilitri di DMAm al flaconcino di vetro da 20 millilitri contenente il TPO e sigillare il flaconcino usando il tappo. Omogeneizzare accuratamente la soluzione di TPO in DMAm mescolando utilizzando un miscelatore a vortice per 10 secondi e quindi utilizzando un bagno sonico di laboratorio standard per sonicare la miscela per 2 minuti a temperatura ambiente.

Utilizzando una pipetta di vetro e una lampadina di gomma, trasferire la soluzione dal flaconcino di vetro da 20 millilitri al flaconcino di ambra da 50 millilitri e sigillare il flaconcino con un tappo e un film plastico modellabile. Agitare delicatamente il flaconcino ambrato da 50 millilitri e quindi porre il flaconcino in un bagno sonico per 2 minuti a temperatura ambiente per assicurarsi che la miscela sia omogenea. Posizionare il flaconcino ambrato sigillato riempito con la resina sfusa in una cappa aspirante per un uso successivo.

Preparare la resina superficiale come descritto in precedenza per la preparazione della resina sfusa. Dopo aver preparato la resina superficiale, posizionare il vile ambrato sigillato riempito con la resina superficiale in una cappa aspirante per un uso successivo. Per eseguire la stampa 3D, versare la resina sfusa precedentemente preparata nella vasca della stampante 3D, assicurandosi che la soluzione copra completamente il film inferiore nella vasca senza bolle d'aria o altre disomogeneità, quindi chiudere la custodia della stampante 3D.

Naviga nell'USB utilizzando lo schermo della stampante 3D e seleziona il file del modello affettato facendo clic sul pulsante Play triangolare per iniziare il processo di stampa 3D. Guardando lo schermo della stampante 3D, prendi nota del numero di strati stampati e metti in pausa il programma di stampa premendo le due linee verticali Metti in pausa il pulsante durante la stampa 3D dell'ultimo strato del substrato di base. Rimuovere l'intera fase di costruzione e risciacquare delicatamente la fase di costruzione e il materiale stampato con etanolo al 100% non denaturato da un flacone di lavaggio per 10 secondi per rimuovere la resina sfusa residua dal materiale stampato in 3D e dalla fase di costruzione.

Utilizzando l'aria compressa, asciugare delicatamente il materiale stampato in 3D e costruire la fase per rimuovere l'etanolo residuo e quindi reinserire la fase di costruzione nella stampante 3D. Rimuovere la vasca dalla stampante 3D e versare la resina sfusa rimanente in un vile ambrato e conservare il vile in un luogo fresco e buio. Utilizzando etanolo 100% non denaturato da una bottiglia di lavaggio, sciacquare accuratamente la vasca per rimuovere qualsiasi resina residua alla rinfusa.

Asciugare la vasca utilizzando un flusso di aria compressa per rimuovere l'etanolo residuo e reinserire la vasca nella stampante 3D. Per eseguire la funzionalizzazione della superficie, versare la resina superficiale precedentemente preparata nella vasca della stampante 3D, assicurandosi che la soluzione copra completamente il film inferiore senza bolle d'aria o altre disomogeneità, quindi chiudere la custodia della stampante 3D. Riprendi il programma di stampa 3D facendo clic sul pulsante Play triangolare per consentire il pattern di superficie predeterminato.

Una volta completato il programma di stampa, rimuovere la fase di costruzione dalla stampante 3D e lavare per 10 secondi con etanolo al 100% non denaturato utilizzando una bottiglia di lavaggio per rimuovere la resina superficiale residua dal materiale stampato in 3D e dalla fase di costruzione. Utilizzando aria compressa, asciugare delicatamente il materiale stampato in 3D e costruire la fase per rimuovere l'etanolo residuo. Mentre è ancora attaccato alla fase di costruzione, post-polimerizza il materiale invertendo l'intera fase di costruzione e posizionandolo sotto la luce di 405 nanometri per 15 minuti.

Rimuovere delicatamente il materiale stampato in 3D funzionalizzato in superficie dalla fase di costruzione utilizzando una sottile piastra metallica o un raschietto per vernici. Per eseguire l'analisi di fluorescenza, posizionare il materiale funzionalizzato in superficie stampato in 3D sotto una lampada a scarica di gas ultravioletto a 312 nanometri in un luogo buio, assicurandosi che lo strato funzionalizzato in superficie sia rivolto verso l'alto. Accendere la lampada per irradiare continuamente lo strato superficiale con luce a 312 nanometri e osservare il modello fluorescente.

Per eseguire l'analisi della proprietà di trazione, posizionare i campioni a forma di osso di cane tra le impugnature di una macchina per prove di trazione, assicurandosi che il materiale stampato in 3D sia ugualmente posizionato a una distanza di 50,3 millimetri. Avviare il programma per acquisire forza rispetto ai dati di viaggio. Dopo la stampa 3D e la funzionalizzazione della superficie, il materiale è stato post-polimerizzato sotto irradiazione a 405 nanometri.

È stato osservato che i materiali funzionalizzati erano gialli ma altamente trasparenti con forme ben definite. I materiali funzionalizzati non mostrano fluorescenza al buio. Tuttavia, dopo l'irradiazione ultravioletta, è stata osservata una fluorescenza superficiale risolta spazialmente nelle regioni irradiate con luce durante la fase di funzionalizzazione della superficie, visibile come un modello yin-yang leggermente rialzato.

Le immagini di fluorescenza hanno mostrato che la parte inferiore del materiale non mostrava fluorescenza sotto irradiazione a luce ultravioletta. Tuttavia, il lato superiore del materiale ha mostrato una forte fluorescenza nel modello yin-yang. Sono state analizzate le proprietà meccaniche dei campioni a forma di osso di cane stampati in 3D ed è stata ottenuta una curva stress-deformazione.

Il materiale ha mostrato una deformazione elastica, fornendo uno sforzo di snervamento di circa 25 megapascal, e quindi una deformazione plastica prima del fallimento. L'allungamento alla rottura era di circa il 12% mentre lo stress alla rottura era di circa 22 megapascal. Il modulo di Young è stato calcolato in circa 7 megapascal, mentre la tenacità era di circa 115 megajoule per metro cubo.

È importante assicurarsi che la superficie residente copra completamente il film della vasca e sia priva di bolle d'aria o altre imperfezioni che possono portare a deviazioni dal modello di superficie previsto.