Summary
스테레오 리소 그래피 장치에 재생 photopolymer 수 지와 첨가제 제조 프로토콜 제공 됩니다.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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.
- 500 mL 삼각 플라스 크에에서 1,10 decanediol 빛 (SA5201)의 50 g을 붓는 다.
- 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).
- 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.
- Pentaerythritol tetraacrylate의 및 다기능 에폭시 아크릴레이트의 100 g 100 g 추가 ( 재료의 표참조) 혼합물에.
- 균질 수 지를 보장 하기 위해 50 ° C에서 30 분 동안 200 rpm에 혼합물을 저 어.
- 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. - 커버는 photoresin 병렬 플레이트 형상 가진 고분자의 하단 접시.
- 1 m m 판 사이의 간격을 설정 하 고 자외선 방지 후드와 함께 고분자를 커버.
- 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.
- SLA 3D 프린터를 켜고 열기 모드를 선택 합니다.
- 컴퓨터에 모델 준비 소프트웨어를 시작 합니다. 원하는 인쇄 설정 선택 하십시오: 자료 (일반), 버전 (버전 4) 및 레이어 두께 (50 µ m).
- 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. - 수 지 탱크에 유기 photoresin의 200 mL를 붓으십시오. 3D 프린터를 열고 제대로 수 지 탱크를 탑재 합니다.
- 빌드 플랫폼을 탑재 하 고 3 차원 프린터를 닫습니다.
- 인쇄 작업을 시작 합니다.
- 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.
- 인쇄 작업이 완료 되 면 프린터를 엽니다. 생산 부품, 빌드 플랫폼을 제거 하 고 프린터를 닫습니다.
- 세척 역, 이소프로필 알코올, 가득 열고 빌드 플랫폼을 삽입 합니다. 절차 및 어떤 unreacted 수 지 제거를 20 분 동안 린스를 시작 합니다.
- 헹 구는 프로시저가 끝날 때 세척 역에서 빌드 플랫폼을 제거 하 고 빌드 플랫폼에서 프로토 타입을 분리.
- 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. - 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.
- 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.
- 잘라 ca. 면도날을 사용 하 여 복잡 한 모양의 프로토타입에서 내부 나선형의 1 cm.
- 더블 양면된 탄소 전도성 테이프와 샘플 홀더를 샘플을 연결 합니다.
- 이미징, 이전 30 샘플 코트 스퍼터 링 시스템에 nm Pt/Pd (80:20).
- 5의 가속 전압에서 작동 하는 스캐닝 전자 현미경 샘플 삽입 kV. 120 X 확대 및 30 X에서 샘플의 여러 이미지 획득.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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.
| 수 지 | TPO | : BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | 기원전 |
| %w / w | %w / w | %w / w | %w / w | %w / w | %w / w | % | |
| BAPR-Α | 0.40 | 0.16 | 20 | 40 | 40 | 67 | |
| BAPR-Β | 0.40 | 0.16 | 60 | 40 | 64 | ||
| BAPR-Γ | 0.40 | 0.16 | 20 | 40 | 40 | 44 | |
| BAPR-Δ | 0.40 | 0.16 | 60 | 40 | 34 |
표 1: R enewable 아크릴 수 지 배합. 대표 bioacrylate 수 지, 수 지 조성과 유기 탄소 함량을 묘사의 특성.
그림 1: 3D 인쇄 전에 재생 아크릴 수 지의 유 변 학적 행동. Uncured BAPR 샘플에 대 한 전단 속도의 함수로 서의 점도 그림은 권한 (저작권 2018 미국 화학 사회)와 적응. 12 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 스테레오 리소 그래피 장치에 의해 다양 한 bioresins에서 조작 하는 3D 제품의 기계적 성능. 인장 강도 (빨간색) 고 경화 BAPRs에서 생산된 부품의 탄성 계수 (청록색). 인장 바 (ISO 527-2-1BA) 빌드 방향에 인쇄 되었다. 오차 막대는 표준 편차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 3D 제품의 기계적 성능에 치료 후 인쇄의 영향. 생산된 부품의 인장 강도 이후 다양 한 조건 하에서 취급. 인장 바 (ISO 527-2-1BA) 빌드 방향에 인쇄 되었다. 오차 막대는 표준 편차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 복잡 한 모양의 프로토 타입 스테레오 리소 그래피 장치에 의해 다양 한 bioresins에서 조작의 시각과 미세한 표현. (A) 루크 타워 프로토 타입의 사진 인쇄 BAPR-α (위)와 sem의 해당 내부 나선 (아래)의 이미지. (B) 루크 타워 프로토 타입의 사진 인쇄 BAPR-β (위)와 sem의 해당 내부 나선 (아래)의 이미지. (C) 루크 타워 프로토 타입의 사진 인쇄 BAPR-γ (위)와 sem의 해당 내부 나선 (아래)의 이미지. (D) 루크 타워 프로토 타입의 사진 인쇄 BAPR-δ (위)와 sem의 해당 내부 나선 (아래)의 이미지. 그림은 적응 권한 (저작권 2018 미국 화학 사회)12. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 과정, 그로 인하여 사용 하 여 동일한 절차와 설정을 상용 수 지 적용에 성공적으로 적용 되었다. 아크릴 수 지의 점도 3D 인쇄 과정에는 필수 매개 변수 이며 모노 머 올리고 머 비율에 의해 제어 됩니다. 일반적으로, 100 s-1 의 전단 속도의 액체 수 지 인쇄 과정14,15recoat 동안 이루어집니다. 이 지역에서 모든 bioresins 5 Pa·s (그림 1) 아래 점도 있고 stereolithographic 인쇄 장비에 응용 프로그램에 적합.
리소 그래피 기반으로 첨가제 제조는 그것의 우수한 표면 품질 및 FDM 및 선택적 레이저 소 결 (SLS)16,17에 비해 정밀에 대 한 인식 됩니다. 이 명확 하 게 나타내는 프로토타입 (그림 4)를 형성 하는 복잡 한 이미지 사진 및 현미경에 의해 증명 됩니다. 반대로, 생산된 부품의 기계적 성질은 SLA 과정18,19적합 재료의 제한 된 선택 제한 됩니다. 아크릴 시스템은 일반적 취 성 및 높은 crosslink 밀도 및 휘도가 네트워크 아키텍처 빈약한 충격 저항을 표시. 따라서, 3D에서 인쇄 자료 재생 아크릴 수 지는12상용 제품 비해 낮은 2-8 MPa (그림 2)의 궁극적인 힘이 있다. 그럼에도 불구 하 고, 세척, 건조, 경화 온도 경화의 기간을 변화 하 여 후 처리의 최적화 기계적 성능 (그림 3)에 상당한 개선을 이끌어 낸다.
현미경 분석 기능을 높은 해상도 우수한 표면 높은 확대 (그림 4)에서 생산된 프로토 타입의 마무리를 보여준다. 톱니 모양의 수직 가장자리는 나선의 노출된 레이어 위에 레이어8의 뒷면에 비해 더 큰 UV 복용량을 받습니다 레이어, 레이어 SLA 인쇄 과정에서 발생 한다. 조작된 시 제품의 표면에 관찰 균열 수축 힘 UV 경화 프로세스 개발에서 발생할 수 있습니다. 아크릴 시스템에 수축 수 지 점도20,21반비례 관련이 발견 된다. 따라서, (그림 4) 균열의 범위 더 점성 photoresins (그림 1)을 적용 하는 때 감소 된다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
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.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Isobornyl acrylate | Sartomer | SA5102 | Acrylate monomer |
| 1,10-decanediol diacrylate | Sartomer | SA5201 | Acrylate monomer |
| Pentaerythritol tetraacrylate | Sartomer | SA5400 | Acrylate monomer |
| Multifunctional epoxy acrylate | Sartomer | SA7101 | Acrylate oligomer |
| Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide (TPO), 97% | Sigma Aldrich | 415952 | Photoinitiator |
| 2,5-bis(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl)thiophene (BBOT), 99% | Sigma Aldrich | 223999 | Optical absorber |
| Isopropyl alcohol (IPA), 99% | Bleko | 1010500 | For alcohol bath (applied in Form Wash) |
| Paar Physica MCR300 | Anton Paar | - | Rheometer with parallel plate geometry |
| Form 2 Printer | Formlabs | - | Desktop SLA 3D printer |
| Form Wash | Formlabs | - | Washing station |
| Form Cure | Formlabs | - | UV oven |
| Instron 4301 1KN Series IX | Instron | - | Universal testing machine |
| Philips XL30 ESEM-FEG | Philips | - | Scanning electron microscope |
References
- Van Wijk, A., van Wijk, I. 3D Printing with Biomaterials: Towards a Sustainable and Circular Economy. , IOS Press. Amsterdam. (2015).
- 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).
- Chia, H. N., Wu, B. M. Recent advances in 3D printing of biomaterials. Journal of Biological Engineering. 9, 4 (2015).
- Mechels, F. P. W., Feijen, J., Grijpma, D. W. A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering. Biomaterials. 31, 6121-6130 (2010).
- Skoog, S. A., Goering, P. L., Narayan, R. J. Stereolithography in tissue engineering. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 25, 845-856 (2014).
- Bhatia, S. K., Ramadurai, K. W. 3D Printing and Bio-Based Materials in Global Health. , Springer. Cham. (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Decker, C. Light-induced crosslinking polymerization. Polymer International. 51, 1141-1150 (2002).
- Elliot, J. E., Bowman, C. N. Predicting network formation of free radical polymerization of multifunctional monomers. Polymer Reaction Engineering. 10, 1-19 (2002).
- 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).
- 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).
