Stereolithographic 3D printen met hernieuwbare acrylaten
12 september 2018
Een protocol voor additieve productie met hernieuwbare fotopolymeer harsen op een stereolithography-apparaat wordt gepresenteerd.
Deze methode kan helpen om belangrijke onderwerpen op het gebied van additieve fabricage te begrijpen, zoals de formulering van hars en behandeling na het printen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het de nauwkeurige en op aanvraag fabricage van duurzame producten mogelijk maakt. Deze methode zal inzicht geven in laser-gebaseerde stereolithografie, maar het kan ook worden toegepast op andere 3D-printtechnieken zoals Digital Light Processing.
Giet om te beginnen 50 gram van 1, 10-decanediol diacrylaat in een Erlenmeyer-kolf van 500 milliliter. Voeg 1,0 gram TPO en 0,40 gram BBOT toe aan de kolf. Voorzie de Erlenmeyer-kolf van een mechanische roerder en roer het mengsel gedurende vijf minuten bij kamertemperatuur op 200 tpm om het TPO en BBOT in de acrylaatmonomeer op te lossen.
Voeg 100 gram pentaerythritoltetraacrylaat en 100 gram multifunctioneel epoxyacrylaat toe aan het mengsel. Roer het mengsel nu gedurende 30 minuten bij 200 tpm en 50 graden Celsius om een homogene hars te verkrijgen. Verwijder de mechanische roerder en plaats een stop in de kolf.
Wickel de kolf in aluminiumfolie om de biobased acrylate fotopolymeerhars te beschermen tegen licht. Bedek nu de bodemplaat van een reometer met parallelle platen geometrie met de fotohars. Stel de opening tussen de platen op één millimeter en dek de reometer af met een UV-bestendige kap.
Meet de viscositeit van de hars bij kamertemperatuur bij schuifsnelheden van 0,1 tot 100 inverse seconden. Schakel de SLA 3D-printer in en selecteer de Open-modus. Afhankelijk van de architectuur van het product kan een ondersteuningsstructuur in het 3D-model worden geïntegreerd om het construct tijdens de fabricage te stabiliseren.
Start de modelvoorbereidingssoftware op een computer. Selecteer Helder voor materiaal, Versie V4 en een laagdikte van 50 micron om de gewenste afdrukinstellingen te kiezen. Open het digitale model van de complex gevormde prototype, wat een standaard tessellation language-bestand is, en kies vervolgens de locatie en oriëntatie op de bouwplatform.
Upload de afdrukinstellingen naar de SLA 3D-printer. Giet nu 200 milliliter van de biobased fotohars in een harstank. Open de 3D-printer en monteer de harstank correct.
Monteer de bouwplatform en sluit de 3D-printer. Start na voorbereiding van de 3D-printer de afdruktaak. Laat de 3D-printer complex gevormde prototypes maken.
Open de printer niet voordat de afdruktaak is voltooid. Voor het gedemonstreerde protocol is de golflengte van de UV-laser 405 nanometer. De afdruktijd van het object is 2,5 uur en wordt hier in snel bewegend beeld getoond.
Open de printer wanneer de afdruktaak is voltooid. Verwijder de bouwplatform met de geproduceerde onderdelen en sluit de printer. Open het wasstation gevuld met isopropylalcohol en plaats de bouwplatform erin.
Start de procedure en spoel gedurende 20 minuten om eventuele niet-gereageerde hars te verwijderen. Verwijder de bouwplatform uit het wasstation wanneer de spoelprocedure is voltooid en verwijder de prototypes van de bouwplatform. Laat de prototypes gedurende 30 minuten aan de lucht drogen.
Verwarm intussen de UV-oven voor op 60 graden Celsius. Open de UV-oven en plaats de prototypes snel op de roterende platform. Sluit de UV-oven en laat 60 minuten drogen bij 60 graden Celsius om volledige omzetting te garanderen.
Open de UV-oven en haal de prototypes eruit wanneer de nabehandeling is voltooid. Om de oppervlaktemorfologie van complex gevormde prototypes te karakteriseren, snijdt u ongeveer een centimeter van de interne spiraal van het complex gevormde prototype met een scheermes. Bevestig het monster aan de monsterstandaard met dubbelzijdige, koolstofgeleidende tape.
Voorafgaand aan beeldvorming, bedek het monster met 30 nanometer platina-palladium op een sputtering-systeem. Plaats het monster nu in een scanning elektronenmicroscoop die werkt met een versnellingsspanning van vijf kilovolt. Maak verschillende afbeeldingen van het monster bij 30X en 120X vergroting.
De viscositeit van de hernieuwbare hars is een essentiële parameter in het 3D-printproces en wordt geregeld door de monomer-tot-oligomeerverhouding. Typisch wordt een schuifsnelheid van 100 inverse seconden bereikt tijdens het opnieuw bedekken van vloeibare hars in het printproces. Alle bioharsen hebben een viscositeit onder de vijf Pascal-seconden en zijn geschikt voor toepassing in stereolithografisch printapparatuur.
Hier getoonde zijn representatieve resultaten voor het mechanische gedrag van de objecten die zijn afgedrukt van verschillende bioharsen, inclusief treksterkte en e-modulus. Echter, optimalisatie van de nabehandeling door het variëren van de duur van wassen, drogen, drogen en temperatuur van drogen kan leiden tot een significante verbetering van de mechanische prestaties. Het gladde oppervlak en hoge functieresolutie van de complex gevormde prototypes wordt onthuld door de elektronenmicroscoop.
De gekartelde verticale randen van de helices ontstaan uit het laag-voor-laag SLA-printproces, waarbij de bovenkant van een blootgestelde laag een grotere UV-dosis ontvangt in vergelijking met de achterkant van een laag. De mate van oppervlaktescheuren is gerelateerd aan de initiële harsviscositeit. Na zijn ontwikkeling heeft deze techniek de weg geëffend voor toepassing van kosteneffectieve bioharsen om afvalvrije en lokale fabricage van duurzame producten mogelijk te maken.
Vergeet niet dat werken met acrylaten gevaarlijk kan zijn. Voorzorgsmaatregelen zoals het dragen van veiligheidsbril en handschoenen moeten altijd worden genomen tijdens het uitvoeren van deze procedure.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor additieve productie met gebruik van hernieuwbare fotopolymeerharsen op een stereolithografie-apparaat. De methode vergemakkelijkt het begrip van kernonderwerpen in de additieve productie, waaronder harsformulering en behandeling na het printen.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Additieve Productie
- 3D-printtechnieken
- Materiaalkunde
Achtergrond
- Focus op duurzame productfabricage.
- Inzichten in lasergebaseerde stereolitografie.
- Toepassing op diverse 3D-printtechnieken.
- Belang van harsformulering en -behandeling.
Doel van de studie
- Om de nauwkeurige en on-demand fabricage van duurzame producten mogelijk te maken.
- Om inzicht te verschaffen in de processen die betrokken zijn bij additieve productie.
- Om de potentiële toepassingen van de methode in verschillende 3D-printtechnologieën te onderzoeken.
Gebruikte methoden
- Bereiding van het harsmengsel in een Erlenmeyerkolf.
- Toevoeging van 1, 10-decanediol diacrylate, TPO en BBOT.
- Mechanisch roeren bij 200 rpm gedurende vijf minuten bij kamertemperatuur.
- Toepassing van het mengsel in stereolithografieprocessen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle formulering van een hernieuwbare fotopolymeerhars.
- Demonstratie van de effectiviteit van de methode bij de vervaardiging van duurzame producten.
- Inzichten verkregen in de nabehandelingsprocessen na het printen.
- Potentieel voor bredere toepassing in diverse 3D-printtechnieken.
Conclusies
- De methode vergroot het begrip van additieve productie.
- Het ondersteunt de ontwikkeling van duurzame materialen voor 3D-printen.
- Toekomstig onderzoek kan de toepassingen van deze techniek verder uitbreiden.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Dit protocol maakt de formulering en verwerking van hernieuwbare acrylaatgebaseerde harsen voor stereolithografisch 3D-printen mogelijk, ter ondersteuning van duurzame materiaalontwikkeling in additieve productie. Het biedt een schaalbare aanpak voor het prototypen van complexe geometrieën met een hoge resolutie van kenmerken met behulp van biobased monomeren en oligomeren. De methode vergemakkelijkt de evaluatie van de prestaties van hernieuwbare materialen in een vroeg stadium, wat bijdraagt aan targetvalidatie en leadidentificatie voor duurzame productpijplijnen.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar materiaaleigenschappen en functionele validatie van hernieuwbare harsystemen voor biocompatibele toepassingen mogelijk.
- Operationele waarde: Ondersteunt het rapid prototyping van apparaatcomponenten en laboratoriumbenodigdheden met behulp van duurzame grondstoffen.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert kwantitatieve viscositeitsmetingen als functie van de afschuifsnelheid om de harsformulering te standaardiseren voor reproduceerbaar printen.
- Operationele waarde: Maakt de bereiding mogelijk van gestandaardiseerde biobased harsen die compatibel zijn met SLA- en DLP-platforms voor high-throughput screening van materiaalvarianten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de productie van ziekterelevante prototypen, zoals microfluidische apparaten of scaffolds voor tissue engineering, met gebruik van uitgeharde bioharsen.
- Operationele waarde: Garandeert volledige uitharding na het printen via spoeling met alcohol en UV-bestraling, wat de mechanische betrouwbaarheid voor preklinisch onderzoek verbetert.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode kan worden geïntegreerd in vroege discovery-workflows door harsformulering, viscositeitskarakterisering en prototypes met een hoge resolutie mogelijk te maken, wat iteratief ontwerp en materiaalscreening ondersteunt voorafgaand aan de identificatie van lead-verbindingen.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing van interacties tussen materiaal en cel door middel van precieze fabricage van cultuurcompatibele prototypes.
- Screening: Levert assay-klare systemen met gecontroleerde viscositeit en oppervlakteafwerking voor betrouwbare evaluaties van compound- of celuitzaaiing.
- Analytics: Genereert gegevens over treksterkte en elasticiteitsmodulus om formulatieparameters te correleren met mechanische prestaties.
- Translationeel onderzoek: Maakt continuïteit mogelijk van discovery naar preklinische validatie via reproduceerbare productie van biohars-gebaseerde apparaten.
- Enterprise-hergebruik: Vestigt een herbruikbaar platform voor duurzame harsontwikkeling over meerdere projectteams en therapeutische gebieden.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende zekerheid over het materiaalgedrag door reologische en mechanische karakterisering van geprinte prototypes.
- Operationele waarde: Standaardisatie van protocollen voor het mengen van hars, printen en nabehandeling garandeert reproduceerbaarheid tussen batches en locaties.
- Strategische waarde: Vermindert de afhankelijkheid van fossiele harsen, wat bijdraagt aan initiatieven voor groene chemie en afvalvermindering in de productie.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde vooruitgang van duurzame materiaalkandidaten mogelijk door formulering te koppelen aan functionele output.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in polymeerchemie en fotopolymerisatie voor de veilige omgang met acrylaatmonomeren en foto-initiatoren.
- Toegang tot een stereolithografische 3D-printer, een rheometer met parallelplaat-geometrie en een UV-uithardingsoven is noodzakelijk voor de volledige workflow.
- Standaardisatie van mengverhoudingen, temperatuurbeheersing en lichtblootstelling is vereist om de consistentie van de hars en de printnauwkeurigheid te waarborgen.
- Er moet rekening worden gehouden met post-processing stappen, waaronder wassen met oplosmiddelen en thermische UV-uitharding, om volledige conversie en de gewenste oppervlaktekwaliteit te bereiken.
- Omvat veiligheidsoverwegingen vanwege mogelijke huid- en luchtweginritatie door acrylaatverbindingen, waarvoor PBM en afzuiging noodzakelijk zijn.
Biopharma Veelgestelde Vragen
Chapters in this video
0:04
Title
0:37
Preparation of Photocurable Resin
2:19
Stereolithographic 3D Printing with Biobased Acrylates
4:08
Post-treatment of 3D Printed Objects and Characterization of their Surface Morphology
6:20
Results: Evaluation of Biobased Photoresins and Fabricated Prototypes
7:55
Conclusion
