Artigo de método

Stereolithographic de impressão 3D com acrilatos renováveis

9.2K vistas

⸱

DOI:

10.3791/58177

⸱

12 de setembro de 2018

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

Neste artigo

Resumo

Um protocolo para a fabricação de aditivo com resinas renováveis fotopolímero em um equipamento de estereolitografia é apresentado.

Resumo

A acessibilidade de materiais renováveis custo-do competidor e sua aplicação na fabricação de aditiva é essencial para uma economia eficiente recicladas. Demonstramos a prototipagem rápida de resinas sustentáveis, usando uma impressora 3D stereolithographic. Formulação da resina ocorre pela simples mistura de biobased acrilato monômeros e oligômeros com um photoinitiatior e absorvente de óptico. Viscosidade da resina é controlada pelo monômero relação oligómero e é determinada em função da taxa de cisalhamento por um rheometer com geometria placa paralela. Um aparelho de stereolithographic cobrado com as resinas recicladas é empregado para produzir protótipos de forma complexos com alta precisão. Os produtos requerem um pós-tratamento, incluindo o álcool enxaguando e irradiação UV, para assegurar a cura completa. A característica de alta resolução e excelente superfície de acabamento dos protótipos é revelado por microscopia eletrônica.

Introdução

Prototipagem rápida permite liberdade de design e produção por demanda e permite que a fabricação eficiente de 3D constrói-se em uma forma de camada por camada1. Como resultado, a impressão 3D como uma técnica de fabricação desenvolveu rapidamente em anos recentes2. Várias tecnologias estão disponíveis, todos contando com a tradução de modelos virtuais em objetos físicos e aplicação de processos, tais como extrusão, deposição de energia direta, solidificação de pó, laminação de folha e fotopolimerização. Este último envolve gradual de cura UV de resinas de fotopolímero líquido. Em 1986, casco e cooperadores desenvolveram o aparelho estereolitografia (SLA), uma impressora 3D baseados em laser UV. Mais recentemente, um processo similar chamado digital light processing (DLP) tornou-se disponível, no qual fotopolimerização é iniciada por um projetor. Juntos, DLP e SLA são referidos como estereolitografia 3D impressão3.

SLA é aplicado em prototipagem de alta resolução e fabricação de dispositivos biomédicos4,5. Esta tecnologia é superior à deposição fundida amplamente utilizado (FDM) de modelagem em termos de precisão, acabamento de superfície e resolução6. Dependendo da arquitetura do produto, uma estrutura de apoio é integrada no modelo 3D para estabilizar a construção durante a fabricação. Além disso, um tratamento pós-impressão de peças fabricadas é necessário7,8. Normalmente, objetos impressos são lavados em um banho de álcool para dissolver a resina não tenha reagida, e posterior cura em um forno UV é executada para garantir a conversão completa da polimerização9.

Em geral, resinas para fabricação de aditiva baseados em litografia dependem photocurable sistemas contendo multifuncional acrilatos ou epóxidos10. Resinas de fotopolímero atual no mercado comercial são baseados em fósseis e caro, enquanto a disponibilidade de resinas renováveis de baixo custo é necessária para facilitar a fabricação local e livre de resíduos de produtos sustentáveis de 3D para uma economia de biobased1 , 6. recentemente, resinas de fotopolímero, com base em renováveis acrilatos foram desenvolvidas e aplicadas com sucesso em estereolitografia 3D impressão11,12. Neste protocolo detalhado, demonstramos a prototipagem rápida com resinas recicladas em um equipamento de estereolitografia comercial. É dada especial atenção à críticas etapas no procedimento, ou seja, tratamentos pós-impressão e formulação resina, para ajudar novos actores no domínio da fabricação aditiva.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Protocolo

Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança (MSDS) antes do uso.

1. preparação da resina Photocurable

Nota: Por favor, use equipamento protetor pessoal (óculos de segurança, luvas, avental, etc.) durante o procedimento a seguir. Consulte nosso trabalho anterior12 para mais detalhes sobre esta seção.

  1. Coloque 50 g de 1,10-decanediol diacrylate (SA5201) em um Erlenmeyer de 500 mL.
  2. Adicionar 1,0 g de diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) óxido de fosfina (TPO) e 0,40 g de 2,5 -bis(5 -tert-butil-benzoxazol-2-yl) tiofeno (BBOT) ao balão.
  3. Equipar o balão com um agitador mecânico e agitar a mistura a 200 rpm por 5 min à temperatura ambiente, a fim de dissolver o TPO e BBOT No monómero de acrilato.
  4. Adicionar 100 g de triacrilato de pentaeritritol e 100 g de acrilato de epóxi multifuncional (ver Tabela de materiais) para a mistura.
  5. Agite a mistura a 200 rpm por 30 min a 50 ° C, para garantir uma resina homogênea.
  6. Retire o agitador mecânico e caber o frasco com uma rolha. O frasco é envolto em folha de alumínio para proteger a resina de fotopolímero biobased acrilato (BAPR) da luz.
    Nota: O protocolo pode ser pausado aqui.
  7. Cobrir a placa inferior de um rheometer com geometria paralelo-placa com o photoresin.
  8. Ajustar a distância entre as placas de 1 mm e cobrir o rheometer com uma capa resistente a UV.
  9. Medir a viscosidade da resina à temperatura ambiente em taxas de cisalhamento de 0,1 a 100 s-1; por exemplo,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 impressão 3D com Biobased Acrylates

Nota: Consulte nosso trabalho anterior12 para mais detalhes sobre esta seção.

  1. Ligue a impressora 3D de SLA e selecione o modo de abertura.
  2. Inicie o software de preparação de modelo em um computador. Escolha configurações de impressão desejado: material (Clear), versão (V4) e espessura de camada (50 µm).
  3. Abra o modelo digital do complexo em forma de protótipo, um arquivo de idioma (. STL) padrão de mosaico (consulte o Arquivo de codificação suplementar) e escolha a localização e a orientação sobre a plataforma de compilação.  Carregar o trabalho de impressão a partir do software de elaboração de modelo para a impressora 3D de SLA.
    Nota: Dependendo da arquitetura do produto, uma estrutura de apoio pode ser integrada no modelo 3D para estabilizar a construção durante a fabricação. No caso do complexo em forma de protótipo demonstrado aqui, uma estrutura de apoio não é necessária se impresso normal à direção de compilação.
  4. 200 mL de photoresin a biobased despeje um tanque de resina. Abra a impressora 3D e montar o tanque de resina corretamente.
  5. Montar a plataforma de compilação e feche a impressora 3D.
  6. Inicie o trabalho de impressão.
  7. Permitir que a impressora 3D fabricar protótipos de forma complexos.  Não abra a impressora até que o trabalho de impressão é concluído.
    Nota: Antes de imprimir, certifique-se que a impressora 3D é nivelada. Para o protocolo demonstrado, o comprimento de onda do laser UV é a 405 nm. O momento da impressão do objeto é 2,5 h.

3. pós-tratamento de 3D impresso objetos

Nota: Use equipamento de proteção pessoal (óculos de segurança, luvas) durante o procedimento a seguir.

  1. Quando o trabalho de impressão for concluído, abra a impressora. Retire a plataforma de compilação, com as peças produzidas anexadas e feche a impressora.
  2. Abra a estação de lavagem, preenchida com álcool isopropílico e inserir a plataforma de compilação. Inicie o procedimento e enxaguar por 20 min remover qualquer resina não tenha reagida.
  3. Quando for concluído o procedimento de lavagem, remover a plataforma de compilação da estação de lavagem e separe os protótipos da plataforma de compilação.
  4. Os protótipos para o ar deixe secar por 30 min. Entretanto, pré-aquecer o forno UV a 60 ° C.
    Nota: O pré-aquecimento levará pelo menos 15 min. O comprimento de onda UV do forno é de 405 nm, idêntico ao comprimento de onda do laser SLA.
  5. Abrir o forno UV e rapidamente Coloque os protótipos na plataforma rotativa. Feche o forno UV e cura para 60 min a 60 ° C para assegurar a conversão completa.
  6. Quando terminar o procedimento pós-curando, abra o forno UV e tirar os protótipos.

4. Caracterização da morfologia superficial de protótipos em forma de complexo

Nota: Consulte nosso trabalho anterior12 para mais detalhes sobre esta seção.

  1. Corte ca. 1 cm da hélice interna do protótipo de forma complexo, usando uma lâmina de barbear.
  2. Anexe a amostra para o porta-amostras com condutor fita dupla face de carbono.
  3. Antes da imagem latente, revestir a amostra com 30 nm Pt/Pd (80: 20) em um sistema de pulverização catódica.
  4. Inserir a amostra em um microscópio eletrônico de varredura operando a uma tensão de aceleração de 5 kV. Adquira várias imagens da amostra em 30 X e ampliação de X 120.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Resultados

Quatro composições representativas da resina são exibidas na tabela 1, juntamente com seu conteúdo de carbono médio biobased (BC) derivado do BC individual dos componentes. A viscosidade da resina (Figura 1) é influenciada pela relação de acrilato monômeros e oligômeros e normalmente demonstra comportamento Newtoniano. As propriedades mecânicas de peças fabricadas a partir de várias resinas foram determinadas pela análise de tensão-deformação...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Discussão

Fabricação de aditiva é aplicada na fabricação de Tailor-Made protótipos e pequenas séries, quando os custos de produção mais elevados por parte podem competir com processos convencionais, desde que não há nenhuma necessidade para a produção de moldes e ferramentas. Na última década, as receitas de serviços e produtos relacionados à fabricação de aditiva tem crescido exponencialmente,13. A maior fração de vendas de material é de fotopolímeros. O crescimento atraiu atenção e iniciou os investimento...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Este estudo foi suportado por centro de aplicação de polímero de GreenPAC como parte do projeto 140413: "impressão 3D na produção". Nós gostaríamos de reconhecer Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken e Albert Woortman para facilitar as filmagens de vídeo.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Acrilato de isobornila SartomerSA5102Monômero de acrilato
1,10-decanediol diacrilatoSartomerSA5201Monômero de acrilato
Tetraacrilato de pentaeritritolSartomerSA5400Monômero de acrilato
de epóxi multifuncionalSartomerSA7101Oligômero de acrilato
Difenil (2,4,6-trimetilbenzoil) óxido de fosfina (TPO), 97%Sigma Aldrich415952Fotoiniciador
2,5-bis(5-terc-butil-benzoxazol-2-il)tiofeno (BBOT), 99%Sigma Aldrich223999Absorvedor óptico
Álcool isopropílico (IPA), 99%Bleko1010500Para banho de álcool (aplicado em Form Wash)
Paar Physica MCR300 AntonPaar-Reômetrocom geometria de placa paralela
Form 2 PrinterFormlabs-DesktopSLA 3D printer
Form Wash Formlabs-Estaçãode lavagem
Form CureFormlabs-UVforno
Instron 4301 1KN Série IXInstron-Máquinade teste universal
Philips XL30 ESEM-FEG Microscópio eletrônicodePhilips
varredura

Referências

  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).

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Reimpressões e permissões

Solicitar permissão para reutilizar o texto ou as figuras deste artigo JoVE

Solicitar permissão

Etiquetas

Formula o de ResinaResinas de Base Biol gicaImpressora 3D SLAMedi o de ViscosidadeTratamento P s Impress oMicroscopia Eletr nica de VarreduraRaz o Mon mero Olig meroCura por UV

Artigos relacionados