방법 논문

재생 아크릴레이트와 Stereolithographic 3D 인쇄

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DOI:

10.3791/58177

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2018년 9월 12일

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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

이 논문에서

요약

스테레오 리소 그래피 장치에 재생 photopolymer 수 지와 첨가제 제조 프로토콜 제공 됩니다.

초록

비용 경쟁력 재생 재료 및 첨가제 제조에 응용 프로그램의 내게 필요한 옵션은 효율적인 유기 경제에 대 한 필수적입니다. Stereolithographic 3D 프린터를 사용 하 여 지속 가능한 수 지의 모형을 보여 줍니다. 수 지 배합 photoinitiatior와 광학 흡수 유기 아크릴 단위체와 올리고의 간단 혼합 하 여 이루어진다. 수 지 점도 모노 머 올리고 머 비율에 의해 제어 됩니다과 병렬 플레이트 형상과 고분자에 의해 전단 속도의 기능으로 결정 됩니다. 유기 수 지로 청구 하는 stereolithographic 장치는 높은 정확도 가진 복잡 한 모양의 시 제품을 생산 하기 위해 채택 된다. 제품은 알코올 세 정 및 완전 한 경화 되도록 UV 방사선 조사를 포함 하 여 사후 치료를 필요 합니다. 높은 기능 해상도 우수한 표면 마무리는 프로토 타입의 스캐닝 전자 현미경 검사 법에 의해 드러났습니다.

서론

신속한 프로토 타입-주문형 제작 및 디자인 자유를 가능 하 게 하 고 3D의 효율적인 제조 레이어, 레이어 방식1에 생성 수 있습니다. 그 결과, 제조 기술로 3D 인쇄 최근 몇 년 동안2에 급속 하 게 개발 했다. 다양 한 기술을 사용할 수 있습니다, 모든 물리적 개체로 가상 모델의 번역에 의존 압출, 직접 에너지 공 술 서, 분말 응고, 시트 적 층 및 photopolymerization 등의 프로세스를 적용. 후자의 stepwise 액체 photopolymer 수 지의 UV 경화를 포함 한다. 1986 년에, 선체와 동료 스테레오 리소 그래피 장치 (SLA), UV 레이저 기반 3D 프린터 개발. 더 최근에, 디지털 빛 가공 (DLP) 라는 비슷한 프로세스는 photopolymerization 가벼운 프로젝터 시작에서 사용할 수 되고있다. 함께, DLP 및 SLA 라고를 스테레오 리소 그래피 3D 인쇄3.

SLA는 고해상도 프로토타이핑 및 생물 의학 장치4,5의 제조에 적용 됩니다. 이 기술은 뛰어난 정확성, 표면 마무리 및 해상도6(FDM) 모델링 널리 융합된 증 착 이다. 제품의 아키텍처에 따라 지원 구조는 제조 동안 구조를 안정화 하기 위해 3D 모델에 통합 됩니다. 또한, 제조 부품의 후 인쇄 처리 필요7,8이다. 일반적으로, 인쇄 된 개체를 unreacted 수 지, 해산 알코올 목욕에 세척 되 고 합9의 전체 변환 되도록 수행 됩니다 UV 오븐에 후속 치료.

일반적으로, 수 지 첨가제 제조 리소 그래피 기반 다기능 아크릴레이트 또는 epoxides10를 포함 하는 photocurable 시스템에 의존 합니다. 상업 시장에 현재 photopolymer 수 지는 화석 기반 및 비싼, 낮은-비용 재생 수 지의 가용성 유기 경제1 에 대 한 지속 가능한 3D 제품의 폐기물 및 현지 생산을 촉진 하기 위하여 필요 , 6. 최근, photopolymer 수 지 재생 아크릴레이트에 따라 개발 되었고 성공적으로 스테레오 리소 그래피 3D 인쇄11,12에 적용. 이 상세한 프로토콜, 상용 스테레오 리소 그래피 장치에 유기 수 지와 모형을 보여 줍니다. 특별 한 주의 첨가제 제조의 분야에서 새로운 실무자를 돕기 위해 수 지 배합 및 후 인쇄 치료 절차, 즉, 의 중요 한 단계에 지급 됩니다.

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프로토콜

주의: 사용 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오.

1입니다. Photocurable 수 지의 준비

참고: 다음 절차 동안 개인 보호 장비 (보호 안경, 장갑, 랩 코트)를 사용 하십시오. 이 섹션에 대 한 자세한 내용은 우리의 이전 작품12 를 참조 하십시오.

  1. 500 mL 삼각 플라스 크에에서 1,10 decanediol 빛 (SA5201)의 50 g을 붓는 다.
  2. 1.0 g의 추가 diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine 산화물 (TPO) 및의 2, 5-0.40 gbis(5-tert-부 틸-benzoxazol-2-yl) 플라스 크를 thiophene (: BBOT).
  3. 기계적인 교 반기와 플라스 크를 장비 하 고 TPO와: BBOT 아크릴 모노 머에서 분해 하기 위하여 실 온에서 5 분 동안 200 rpm에 혼합물을 저 어.
  4. Pentaerythritol tetraacrylate의 및 다기능 에폭시 아크릴레이트의 100 g 100 g 추가 ( 재료의 표참조) 혼합물에.
  5. 균질 수 지를 보장 하기 위해 50 ° C에서 30 분 동안 200 rpm에 혼합물을 저 어.
  6. 기계적 교 반기를 제거 하 고 스 토퍼와 함께 플라스 크에 맞게. 플라스 크는 빛에서 유기 아크릴 photopolymer 수 지 (BAPR)를 보호 하기 위해 알루미늄 호 일에 싸여 있다.
    참고: 프로토콜 수 수 일시 중지 여기.
  7. 커버는 photoresin 병렬 플레이트 형상 가진 고분자의 하단 접시.
  8. 1 m m 판 사이의 간격을 설정 하 고 자외선 방지 후드와 함께 고분자를 커버.
  9. 100 s-1;을 0.1에서 전단 속도로 실 온에서 수 지 점도 측정 예를 들어,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, 및 100 s-1.

2. Stereolithographic 유기 아크릴레이트와 3D 인쇄

참고:이 섹션에 대 한 자세한 내용은 우리의 이전 작품12 를 참조 하십시오.

  1. SLA 3D 프린터를 켜고 열기 모드를 선택 합니다.
  2. 컴퓨터에 모델 준비 소프트웨어를 시작 합니다. 원하는 인쇄 설정 선택 하십시오: 자료 (일반), 버전 (버전 4) 및 레이어 두께 (50 µ m).
  3. 복잡 한 모양의 프로토 타입, 표준 테셀레이션 언어 (.stl) 파일의 디지털 모델을 열고 ( 추가 코딩 파일참조) 위치와 빌드 플랫폼에서 방향을 선택 하십시오.  모델 준비 소프트웨어에서 SLA 3D 프린터에 인쇄 작업을 업로드.
    참고: 제품의 아키텍처에 따라 지원 구조는 제조 동안 구조를 안정화 하기 위해 3D 모델에 통합할 수 있습니다. 여기 설명 복잡 한 모양의 프로토 타입의 경우 빌드 방향에 정상적인 인쇄 하는 경우 지원 구조 필요 하지 않습니다.
  4. 수 지 탱크에 유기 photoresin의 200 mL를 붓으십시오. 3D 프린터를 열고 제대로 수 지 탱크를 탑재 합니다.
  5. 빌드 플랫폼을 탑재 하 고 3 차원 프린터를 닫습니다.
  6. 인쇄 작업을 시작 합니다.
  7. 3D 프린터 복잡 한 모양의 시 제품을 날조 하는 것을 허용 한다.  인쇄 작업이 완료 될 때까지 프린터를 열지 마십시오.
    참고: 인쇄를 하기 전에 3D 프린터 뻗 었 있는지 확인 합니다. 시연된 프로토콜에 대 한 UV 레이저 파장은 405 nm. 개체의 인쇄 시간 2.5 h입니다.

3. 3D의 후 처리 개체 인쇄

참고: 다음 절차 동안 개인 보호 장비 (보호 안경, 장갑)을 사용 하십시오.

  1. 인쇄 작업이 완료 되 면 프린터를 엽니다. 생산 부품, 빌드 플랫폼을 제거 하 고 프린터를 닫습니다.
  2. 세척 역, 이소프로필 알코올, 가득 열고 빌드 플랫폼을 삽입 합니다. 절차 및 어떤 unreacted 수 지 제거를 20 분 동안 린스를 시작 합니다.
  3. 헹 구는 프로시저가 끝날 때 세척 역에서 빌드 플랫폼을 제거 하 고 빌드 플랫폼에서 프로토 타입을 분리.
  4. 30 분 동안 건조 공기를 프로토 타입을 하실 수 있습니다. 한편, 60 ° c.에서 UV 오븐을 예 열
    참고: 열 이상 15 분 소요 됩니다. 오븐의 자외선 파장은 405 nm, SLA 레이저의 파장에 동일.
  5. UV 오븐을 열고 회전 하는 플랫폼에 프로토 타입을 신속 하 게 배치 합니다. UV 오븐 및 완전 한 변환 되도록 60 ° C에서 60 분에 대 한 치료를 닫습니다.
  6. 후 치료 절차 완료 되 면 UV 오븐을 열고 꺼내 시.

4. 복잡 한 모양의 시 제품의 표면 형태의 특성

참고:이 섹션에 대 한 자세한 내용은 우리의 이전 작품12 를 참조 하십시오.

  1. 잘라 ca. 면도날을 사용 하 여 복잡 한 모양의 프로토타입에서 내부 나선형의 1 cm.
  2. 더블 양면된 탄소 전도성 테이프와 샘플 홀더를 샘플을 연결 합니다.
  3. 이미징, 이전 30 샘플 코트 스퍼터 링 시스템에 nm Pt/Pd (80:20).
  4. 5의 가속 전압에서 작동 하는 스캐닝 전자 현미경 샘플 삽입 kV. 120 X 확대 및 30 X에서 샘플의 여러 이미지 획득.

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결과

4 대표적인 수 지 작곡 표 1, 함께 그들의 평균 유기 탄소 함량 (BC)는 개별 구성 요소에서 파생 된에 표시 됩니다. 수 지 점도 (그림 1) 아크릴 단위체와 올리고의 비율에 의해 영향을 하 고 일반적으로 뉴턴의 동작을 보여 줍니다. 다양 한 수 지에서 제조 하는 부품의 기계적 성질은 응력 분석에 의해 결정 했다. 그림 2 E-모듈러스와 인장 강도 범용 테스트 컴퓨터에 대표적인 결과 표시합니다. 제품 성능에 인쇄 후 치료의 효과 그림 3에서 묘사 된다. 복잡 한 모양의 프로토 타입의 부드러운 표면과 높은 기능 해상도 전자 현미경 (그림 4)에 의해 드러났습니다. 표면 균열의 범위는 초기 수 지 점도 관련이 있습니다.

...

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토론

첨가제 제조 때 부분 당 더 높은 생산 비용 이후 생산 금형 및 도구에 대 한 필요가 없습니다 기존의 프로세스와 경쟁할 수 있는 맞춤형 프로토 타입 및 작은 시리즈의 제작에 적용 됩니다. 지난 10 년간에서 서비스 및 첨가제 제조 관련 제품에서 수익13기 하 급수적으로 성장 했다. 광에서 소재 매출의 큰 부분이 이다. 성장 주의 끌었다 고 주요 산업, 예를 들어, 항공 우주, 자동차, 의료의 투자를 시작. 따라서, 3D 인쇄 분야는 곧 나오는 년에 더 확장 예정 이다.

우리는 효율적인 stereolithographic 3D 프린터에 재생 photopolymer 수 지와 함께 지속 가능한 제품의 정확 하 고 필요 시 제작 방법 설명 했다. 주성분으로 저가 유기 아크릴레이트를 사용 하 여 그들의 상업적인 대조 물에 관하여 비용을 잠재적으로 경쟁 이러한 수 지를 만든다. 또한, bioresin 공식 표준화 된 SLA 3D 인쇄...

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공개 사항

저자는 공개 없다.

감사의 글

이 연구 프로젝트 140413의 일환으로 GreenPAC 폴리머 응용 프로그램 센터에 의해 지원 되었다: "3D 인쇄 생산에". 알 버트 하트, 코 린 반 Noordenne를 인정 하 고 싶습니다, 그리고 Rens 반 우 벤, Anniek Bruins, Femke Tamminga, 티 져 밴 Dijken와 앨버트 Woortman 비디오 촬영 촉진을 위한.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
이소보르닐 아크릴레이트 사르토머SA5102아크릴레이트 단량체
1,10-데칸디올 디아크릴레이트사르토머SA5201아크릴레이트 단량체
펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트사르토머SA5400아크릴레이트 단량체
다기능 에폭시 아크릴레이트사르토머SA7101아크릴레이트 올리고머
디페닐(2,4,6-트리메틸벤조일) 포스핀 옥사이드(TPO), 97%시그마 알드리치415952광개시
2,5-bis(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl)thiophene (BBOT), 99%Sigma Aldrich223999광학 흡수제
이소프로필 알코올 (IPA), 99%Bleko1010500알코올 목욕용 (Form Wash에 적용)
Paar Physica MCR300 Anton Paar-평행 플레이트 기하학을 가진 레오미터
Form 2 프린터Formlabs-DesktopSLA 3D 프린터
Form Wash Formlabs-세척 스테이션
형태 경화Formlabs-UV오븐
Instron 4301 1KN 시리즈 IXInstron-Universal테스팅
Philips XL30 ESEM-FEG Philips-주사 전자 현미경
제 기

참고문헌

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재인쇄 및 허가

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