Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Stereolitograficzny druk 3D z odnawialnymi akrylanami

9.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58177

⸱

12 września 2018

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

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół wytwarzania przyrostowego z wykorzystaniem odnawialnych żywic fotopolimerowych na aparacie stereolitograficznym

.

Streszczenie

Dostępność konkurencyjnych kosztowo materiałów odnawialnych i ich zastosowanie w produkcji addytywnej jest niezbędne dla efektywnej gospodarki opartej na biologii. Demonstrujemy szybkie prototypowanie zrównoważonych żywic przy użyciu stereolitograficznej drukarki 3D. Formułowanie żywicy odbywa się poprzez proste mieszanie biopochodnych monomerów i oligomerów akrylanowych z fotoinicjatorem i absorberem optycznym. Lepkość żywicy jest kontrolowana przez stosunek monomeru do oligomeru i jest określana jako funkcja szybkości ścinania za pomocą reometru o równoległej geometrii płytki. Aparat stereolitograficzny naładowany żywicami pochodzenia biologicznego jest wykorzystywany do wytwarzania prototypów o skomplikowanych kształtach z dużą dokładnością. Produkty wymagają obróbki końcowej, w tym płukania alkoholem i naświetlania promieniami UV, aby zapewnić całkowite utwardzenie. Wysoka rozdzielczość cech i doskonałe wykończenie powierzchni prototypów ujawniają się za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.

Wprowadzenie

Szybkie prototypowanie umożliwia swobodę produkcji i projektowania na żądanie oraz pozwala na efektywne wytwarzanie konstrukcji 3D warstwa po warstwie1. W rezultacie, druk 3D jako technika wytwarzania szybko się rozwinął w ostatnich latach2. Dostępne są różne technologie, z których wszystkie opierają się na translacji modeli wirtualnych na obiekty fizyczne i zastosowaniu procesów takich jak wytłaczanie, bezpośrednie osadzanie energii, krzepnięcie proszku, laminowanie arkuszy i fotopolimeryzacja. Ta ostatnia polega na stopniowym utwardzaniu UV płynnych żywic fotopolimerowych. W 1986 roku Hull i jego współpracownicy opracowali aparat stereolitograficzny (SLA), drukarkę 3D opartą na laserze UV. Niedawno dostępny jest podobny proces zwany cyfrowym przetwarzaniem światła (DLP), w którym fotopolimeryzacja jest inicjowana przez projektor światła. Razem DLP i SLA są określane jako stereolitografia druku 3D3.

SLA jest stosowane w prototypowaniu i produkcji urządzeń biomedycznych w wysokiej rozdzielczości4,5. Technologia ta jest lepsza od powszechnie stosowanego modelowania osadzania topionego (FDM) pod względem dokładności, wykończenia powierzchni i rozdzielczości6. W zależności od architektury produktu, konstrukcja wsporcza jest zintegrowana z modelem 3D w celu ustabilizowania konstrukcji podczas produkcji. Ponadto wymagana jest obróbka po druku wyprodukowanych części7,8. Zazwyczaj drukowane obiekty są myte w kąpieli alkoholowej w celu rozpuszczenia nieprzereagowanej żywicy, a następnie utwardzanie w piecu UV jest wykonywane w celu zagwarantowania pełnej konwersji polimeryzacji9.

Ogólnie rzecz biorąc, żywice do wytwarzania przyrostowego opartego na litografii opierają się na systemach fotoutwardzalnych zawierających wielofunkcyjne akrylany lub epoksydy10. Obecne żywice fotopolimerowe na rynku komercyjnym są oparte na paliwach kopalnych i drogie, podczas gdy dostępność tanich żywic odnawialnych jest potrzebna, aby ułatwić bezodpadową i lokalną produkcję zrównoważonych produktów 3D dla gospodarki opartej na biotechnologii1,6. Niedawno opracowano żywice fotopolimerowe na bazie odnawialnych akrylanów, które z powodzeniem zastosowano w stereolitografii Druk 3D11,12. W tym szczegółowym protokole demonstrujemy szybkie prototypowanie z żywicami pochodzenia biologicznego na komercyjnym aparacie stereolitograficznym. Szczególną uwagę zwrócono na kluczowe etapy procedury, tj. formułowanie żywicy i obróbkę po drukowaniu, aby pomóc początkującym praktykom w dziedzinie wytwarzania przyrostowego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

UWAGA: Proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS) przed użyciem.

1. Przygotowanie żywicy fotoutwardzalnej

UWAGA: Proszę używać osobistego sprzętu ochronnego (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny) podczas następującej procedury. Zobacz naszą poprzednią stronę work12, aby uzyskać więcej informacji na temat tej sekcji.

  1. Wlać 50 g dikrylanu 1,10-dekanodiolu (SA5201) do kolby Erlenmeyera o pojemności 500 ml.
  2. Dodać 1,0 g tlenku difenylo(2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfiny (TPO) i 0,40 g 2,5-bis(5-tert-butylo-benzoksazol-2-ylo)tiofenu (BBOT) do kolby.
  3. Wyposażyć kolbę w mieszadło mechaniczne i mieszać mieszaninę z prędkością 200 obr./min przez 5 minut w temperaturze pokojowej w celu rozpuszczenia TPO i BBOT w monomerze akrylanowym.
  4. Do mieszaniny dodać 100 g tetraakrylanu pentaerytrytolu i 100 g wielofunkcyjnego akrylanu epoksydowego (patrz tabela materiałów).
  5. Mieszać mieszaninę przy 200 obr./min przez 30 min w temperaturze 50 °C, aby uzyskać jednorodną żywicę.
  6. Wyjąć mieszadło mechaniczne i założyć kolbę z korkiem. Kolba jest owinięta folią aluminiową w celu ochrony biopochodnej akrylowej żywicy fotopolimerowej (BAPR) przed światłem.
    UWAGA: W tym miejscu protokół można wstrzymać.
  7. Przykryj dolną płytkę reometru geometrią płytki równoległej za pomocą fotożywicy.
  8. Ustaw odstęp między płytkami na 1 mm i przykryj reometr kapturem odpornym na promieniowanie UV.
  9. Zmierz lepkość żywicy w temperaturze pokojowej przy szybkości ścinania od 0,1 do 100 s-1; np. 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 i 100 s-1.

2. Stereolitograficzny druk 3D z akrylanami pochodzenia biologicznego

UWAGA: Zobacz naszą poprzednią stronę work12, aby uzyskać więcej informacji na temat tej sekcji.

  1. Włącz drukarkę 3D SLA i wybierz tryb otwarty.
  2. Uruchom oprogramowanie do przygotowywania modeli na komputerze. Wybierz żądane ustawienia druku: materiał (Clear), wersję (V4) i grubość warstwy (50 μm).
  3. Otwórz cyfrowy model prototypu o złożonym kształcie, plik standardowego języka teselacji (.stl) (patrz Dodatkowy plik kodowania) i wybierz lokalizację i orientację na platformie konstrukcyjnej. Prześlij zadanie drukowania z oprogramowania do przygotowania modelu do drukarki 3D SLA.
    UWAGA: W zależności od architektury produktu, konstrukcja nośna może być zintegrowana z modelem 3D w celu ustabilizowania konstrukcji podczas produkcji. W przypadku pokazanego tutaj prototypu o złożonym kształcie, konstrukcja wsporcza nie jest wymagana, jeśli jest drukowana prostopadle do kierunku budowy.
  4. Wlej 200 ml biopochodnej fotożywicy do zbiornika na żywicę. Otwórz drukarkę 3D i prawidłowo zamontuj zbiornik na żywicę.
  5. Zamontuj platformę roboczą i zamknij drukarkę 3D.
  6. Rozpocznij zadanie drukowania.
  7. Pozwól drukarce 3D wytwarzać prototypy o skomplikowanych kształtach. Nie otwieraj drukarki, dopóki zadanie drukowania nie zostanie zakończone.
    UWAGA: Przed drukowaniem upewnij się, że drukarka 3D jest wypoziomowana. Dla zademonstrowanego protokołu długość fali lasera UV wynosi 405 nm. Czas wydruku obiektu wynosi 2,5 h.

3. Obróbka końcowa obiektów drukowanych w 3D

UWAGA: Proszę używać osobistego sprzętu ochronnego (okulary ochronne, rękawice) podczas następującej procedury.

  1. Po zakończeniu zadania drukowania otwórz drukarkę. Zdejmij platformę roboczą z przymocowanymi wyprodukowanymi częściami i zamknij drukarkę.
  2. Otwórz stację mycia napełnioną alkoholem izopropylowym i włóż platformę roboczą. Rozpocznij procedurę i płucz przez 20 minut, aby usunąć nieprzereagowaną żywicę.
  3. Po zakończeniu procedury płukania zdejmij platformę roboczą ze stacji mycia i odłącz prototypy od platformy roboczej.
  4. Pozostaw prototypy do wyschnięcia na powietrzu przez 30 minut. W międzyczasie rozgrzej piekarnik UV do 60 °C.
    UWAGA: Podgrzewanie zajmie co najmniej 15 minut. Długość fali UV pieca wynosi 405 nm, identyczna z długością fali lasera SLA.
  5. Otwórz piec UV i szybko umieść prototypy na obrotowej platformie. Zamknij piec UV i utwardzaj przez 60 minut w temperaturze 60 °C, aby zapewnić całkowitą konwersję.
  6. Po zakończeniu procedury utwardzania otwórz piec UV i wyjmij prototypy.

4. Charakterystyka morfologii powierzchni prototypów o skomplikowanych kształtach

UWAGA: Zobacz naszą poprzednią stronę work12, aby uzyskać więcej informacji na temat tej sekcji.

  1. Wytnij ok. 1 cm wewnętrznej spirali z prototypu o skomplikowanym kształcie za pomocą żyletki.
  2. Przymocuj próbkę do uchwytu próbki za pomocą dwustronnej taśmy węglowej przewodzącej.
  3. Przed obrazowaniem należy pokryć próbkę 30 nm Pt/Pd (80:20) w systemie rozpylania.
  4. Wprowadzić próbkę do skaningowego mikroskopu elektronowego pracującego przy napięciu przyspieszającym 5 kV. Zrób kilka zdjęć próbki w powiększeniu 30x i 120x.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W Tabeli 1 przedstawiono cztery reprezentatywne składy żywic wraz z ich średnią zawartością węgla pochodzenia biologicznego (BC), obliczoną na podstawie poszczególnych wartości BC składników. Lepkość żywicy (Rysunek 1) zależy od stosunku monomerów i oligomerów akrylowych i zazwyczaj wykazuje zachowanie newtonowskie. Właściwości mechaniczne części wykonanych z różnych żywic określono za pomocą analizy naprężenie-odkształcenie. Na

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Produkcja addytywna jest stosowana w wytwarzaniu prototypów na zamówienie i małych serii, kiedy wyższe koszty produkcji części mogą konkurować z konwencjonalnymi procesami, ponieważ nie ma potrzeby produkcji form i narzędzi. W ciągu ostatniej dekady przychody z usług i produktów związanych z wytwarzaniem przyrostowym wzrosły wykładniczo13. Największy udział w sprzedaży materiałów mają fotopolimery. Wzrost ten przyciągnął uwagę i zapoczątkował inwestycje głównych gałęzi przemysłu, np . lot...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

To badanie było wspierane przez GreenPAC Polymer Application Centre w ramach Projektu 140413: "Druk 3D w produkcji". Chcielibyśmy podziękować Albertowi Hartmanowi, Corinne van Noordenne, Rensowi van Leeuwenowi, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jurowi van Dijkenowi i Albertowi Woortmanowi za ułatwienie kręcenia filmu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Akrylan izobornylu SartomerSA5102Monomer akrylanowy
1,10-dekanodiol diakrylanSartomerSA5201Monomer akrylanowy
Pentaerytrytol tetraakrylowySartomerSA5400Monomer akrylowy
Wielofunkcyjny akrylan epoksydowySartomerSA7101Oligomer akrylowy
Tlenek fosfiny (TPO)(2,4,6-trimetylobenzoilo)(TPO), 97%Sigma Aldrich415952Fotoinicjator
2,5-bis(5-tert-butyl-benzoksazol-2-ylo)tiofen (BBOT), 99%Sigma Aldrich223999Absorber optyczny
Alkohol izopropylowy (IPA), 99%Bleko1010500Do kąpieli alkoholowej (stosowany w formie Wash)
Paar Physica MCR300 Reometr Anton Paarz równoległą geometrią płyty
Drukarka Form 2 DrukarkaFormlabs-DesktopSLA
Form Wash Formlabs-Stacjamyjąca
Form CureFormlabs-PiecUV
Instron 4301 1KN Seria IXInstron-Uniwersalnamaszyna wytrzymałościowa
Philips XL30 ESEM-FEG Skaningowy mikroskop elektronowyPhilips
3D

Bibliografia

  1. Van Wijk, A., van Wijk, I. 3D Printing with Biomaterials: Towards a Sustainable and Circular Economy. , IOS Press. Amsterdam. (2015).
  2. Gross, B. C., Erkal, J. L., Lockwood, S. Y., Chen, C., Spence, D. M. Evaluation of 3D Printing and Its Potential Impact on Biotechnology and the Chemical Sciences. Analytical Chemistry. 86, 3240-3253 (2014).
  3. Chia, H. N., Wu, B. M. Recent advances in 3D printing of biomaterials. Journal of Biological Engineering. 9, 4(2015).
  4. Mechels, F. P. W., Feijen, J., Grijpma, D. W. A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering. Biomaterials. 31, 6121-6130 (2010).
  5. Skoog, S. A., Goering, P. L., Narayan, R. J. Stereolithography in tissue engineering. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 25, 845-856 (2014).
  6. Bhatia, S. K., Ramadurai, K. W. 3D Printing and Bio-Based Materials in Global Health. , Springer. Cham. (2017).
  7. Oskui, S. M., Diamante, G., Liao, C., Shi, W., Gan, J., Schlenk, D., Grover, W. H. Assessing and Reducing the Toxicity of 3D-Printed Parts. Environmental Science & Technology Letters. 3, 1-6 (2016).
  8. Gong, H., Beauchamp, M., Perry, S., Woolley, A. T., Nordin, G. P. Optical approach to resin formulation for 3D printed microfluidics. RSC Advances. 5, 106621-106632 (2015).
  9. Zarek, M., Layani, M., Cooperstein, I., Sachyani, E., Cohn, D., Magdassi, S. 3D printing of shape memory polymers for flexible electronic devices. Advanced Materials. 28, 4449-4454 (2016).
  10. Ligon-Auer, S. C., Schwentenwein, M., Gorsche, C., Stampfl, J., Liska, R. Toughening of photo-curable polymer networks: A review. Polymer Chemistry. 7, 257-286 (2016).
  11. Miao, S., Zhu, W., Castro, N. J., Nowicki, M., Zhou, X., Cui, H., Fisher, J. P., Zhang, L. G. 4D printing smart biomedical scaffolds with novel soybean oil epoxidized acrylate. Scientific Reports. 6, 27226(2016).
  12. Voet, V. S. D., Strating, T., Schnelting, G. H. M., Dijkstra, P., Tietema, M., Xu, J., Woortman, A. J. J., Loos, K., Jager, J., Folkersma, R. Biobased acrylate photocurable resin formulation for stereolithographic 3D printing. ACS Omega. 3, 1403-1408 (2018).
  13. Ligon-Auer, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., Mülhaupt, R. Polymers for 3D Printing and Customized Additive Manufacturing. Chemical Reviews. 117, 10212-10290 (2017).
  14. Weng, Z., Zhou, Y., Lin, W., Senthil, T., Wu, L. Structure-property relationship of nano enhanced stereolithography resin for desktop SLA 3D printer. Composites: Part A. 88, 234-242 (2016).
  15. Scalera, F., Esposito Corcione, C., Montagna, F., Sannino, A., Maffezzoli, A. Development and characterization of UV curable epoxy/hydroxyapatite suspensions for stereolithography applied to bone tissue engineering. Ceramics International. 40, 15455-15462 (2014).
  16. Lee, H., Fang, N. X. Micro 3D Printing using a digital projector and its application in the study of soft materials mechanics. Journal of Visualized Experiments. (69), e4457(2012).
  17. Huemer, K., Squirrell, J. M., Swader, R., Pelkey, K., LeBert, D. C., Huttenlocher, A., Eliceiri, K. W. Long-term live imaging device for improved experimental manipulation of zebrafish larvae. Journal of Visualized Experiments. (128), e56340(2017).
  18. Decker, C. Light-induced crosslinking polymerization. Polymer International. 51, 1141-1150 (2002).
  19. Elliot, J. E., Bowman, C. N. Predicting network formation of free radical polymerization of multifunctional monomers. Polymer Reaction Engineering. 10, 1-19 (2002).
  20. Ellakwa, A., Cho, N., Lee, I. B. The effect of resin matrix composition on the polymerization shrinkage and rheological properties of experimental dental composites. Dental Materials. 23, 1229-1235 (2007).
  21. Charton, C., Falk, V., Marchal, P., Pla, F., Colon, P. Influence of Tg, viscosity and chemical structure of monomers on shrinkage stress in light-cured dimethacrylate-based dental resins. Dental Materials. 23, 1447-1459 (2007).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Formulacja żywicyżywice pochodzenia biologicznegodrukarka 3D SLApomiar lepkościobróbka po drukuskaningowa mikroskopia elektronowastosunek monomeru do oligomeruutwardzanie UV
Stereolitograficzny druk 3D z odnawialnymi akrylanami
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.