Summary
Un protocole de fabrication additive avec des résines de photopolymère renouvelables sur un appareil de stéréolithographie est présenté.
Abstract
L’accessibilité des matières renouvelables compétitives et leur application dans la fabrication additive est essentielle pour une économie biologique efficace. Nous démontrons le prototypage rapide de résines durables à l’aide d’une imprimante 3D stéreolithographie. Formulation de résine s’effectue par simple mélange de biobased acrylate monomères et oligomères avec un photoinitiatior et un absorbeur d’optique. Viscosité de la résine est contrôlée par le monomère ratio oligomère et est déterminée en fonction de la vitesse de cisaillement par un rhéomètre avec géométrie de plaques parallèles. Un appareil de stéreolithographie chargé avec les résines biobased est employé pour produire des prototypes en forme complexes avec une grande précision. Les produits nécessitent un traitement post, y compris le rinçage de l’alcool et aux rayons UV, afin d’assurer une polymérisation complète. La résolution haute fonctionnalité et une excellente surface de finition des prototypes est révélée par la microscopie électronique à balayage.
Introduction
Prototypage rapide permet la liberté de conception et de production à la demande et permet que la fabrication efficace de 3D construit dans une couche-par-couche façon1. Par conséquent, l’impression 3D comme une technique de fabrication s’est développée rapidement ces dernières années2. Diverses technologies sont disponibles, tout en s’appuyant sur la traduction de modèles virtuels en objets physiques et en appliquant des processus tels que l’extrusion, dépôt d’énergie directe, solidification de poudre, laminage de tôles et photopolymérisation. Le second fait intervenir par étapes UV de polymérisation des résines de photopolymère liquide. En 1986, Hull et ses collègues ont développé l’appareil de stéréolithographie (SLA), une imprimante 3D par laser UV. Plus récemment, un processus similaire appelé digital light processing (DLP) est devenu disponible, dans laquelle photopolymérisation est initiée par un projecteur de lumière. Ensemble, DLP et SLA sont dénommés stéréolithographie 3D impression3.
SLA est appliquée en haute résolution prototypage et fabrication de dispositifs biomédicaux4,5. Cette technologie est supérieure à la déposition fusionnée couramment modeling (FDM) en termes de précision, la finition de surface et6de la résolution. Selon l’architecture du produit, une structure de soutien est intégrée dans le modèle 3D pour stabiliser la construction pendant la fabrication. En outre, un traitement après impression des pièces fabriquées est obligatoire,7,8. En règle générale, les objets imprimés sont lavés dans un bain d’alcool pour dissoudre la résine n’a pas réagi et durcissement ultérieur dans un four UV est effectué afin de garantir une conversion totale de la polymérisation9.
En général, résines pour la fabrication additive axée sur la lithographie reposent sur des systèmes de photodurcissable contenant les acrylates ou époxydes multifonctions10. Résines de photopolymère actuelle sur le marché commercial sont fossile et coûteux, tandis que la disponibilité de résines renouvelables peu coûteux est nécessaire pour faciliter la fabrication locale et sans déchets de produits 3D durables pour une économie de biobased1 , 6. récemment, résines de photopolymère issus des acrylates renouvelables élaborés et appliqués avec succès dans la stéréolithographie 3D impression11,12. Dans ce protocole détaillé, nous démontrons la prototypage rapide avec des résines biobased sur un appareil commercial de stéréolithographie. Est une attention particulière à des étapes cruciales dans la procédure, c'est-à-dire, traitements de formulation et après impression résine, pour aider les nouveaux praticiens dans le domaine de la fabrication additive.
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Protocol
ATTENTION : Veuillez consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation.
1. préparation de la résine photodurcissable
NOTE : Veuillez utiliser les équipement de protection individuelle (gants, lunettes de sécurité, blouse de laboratoire) au cours de la procédure suivante. Voir nos anciens travaux12 pour plus de détails sur cette section.
- Verser 50 g de diacrylate de 1,10-decanediol (SA5201) dans un erlenmeyer de 500 mL.
- Ajouter 1,0 g de diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) oxyde de phosphine (TPO) et 0,40 g de 2, 5 -bis(5 -tert-butyl-benzoxazol-2-yl) thiophène (BBOT) dans le ballon.
- Équiper la fiole avec un agitateur mécanique et remuez le mélange à 200 tr/min pendant 5 min à température ambiante afin de dissoudre les TPO et BBOT dans le monomère d’acrylate d’éthyle.
- Ajouter 100 g de tétraacrylate de pentaérythritol tétranitrate et 100 g d’acrylate multifonctionnel époxy (voir Table des matières) au mélange.
- Incorporer le mélange à 200 tr/min pendant 30 min à 50 ° C pour assurer une résine homogène.
- Enlever l’agitateur mécanique et monter le ballon avec un bouchon. Le flacon est emballé dans du papier d’aluminium pour protéger la résine de photopolymère biobased acrylate d’éthyle (BAPR) de la lumière.
Remarque : Le protocole peut être suspendu ici. - Couvrir la plaque de fond d’un rhéomètre à géométrie parallèle-plaque avec la photoresin.
- La valeur de l’écart entre les plaques à 1 mm et couvrir le rhéomètre avec un capuchon résistant aux UV.
- Mesurer la viscosité de la résine à la température ambiante à des vitesses de cisaillement de 0,1 à 100 s-1; par exemple,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 et 100 s-1.
2. stéreolithographie impression 3D avec Biobased Acrylates
Remarque : Consultez nos anciens travaux12 pour plus de détails sur cette section.
- Allumez l’imprimante 3D de SLA et sélectionnez le mode d’ouverture.
- Démarrez le logiciel de préparation de modèle sur un ordinateur. Choisir les paramètres d’impression désiré : matériel (Clear), version (V4) et épaisseur de la couche (50 µm).
- Ouvrez le modèle numérique du prototype en forme de complexe, un fichier de langue (.stl) pavage standard (voir la Fiche de codage supplémentaire) et choisissez l’emplacement et l’orientation sur la plateforme de génération. Télécharger le travail d’impression à l’imprimante 3D SLA depuis le logiciel de préparation de modèle.
Remarque : Selon l’architecture du produit, une structure de soutien peut être intégrée dans le modèle 3D pour stabiliser la construction pendant la fabrication. Le prototype de forme complexe démontré ici, dans le cas d’une structure d’appui n’est pas requise si imprimé perpendiculaires à la direction de la construction. - Versez 200 mL de le photoresin biologique dans un réservoir de résine. Ouvrez l’imprimante 3D et monter le réservoir résine correctement.
- Installez la plate-forme construction et fermer l’imprimante 3D.
- Démarrer le travail d’impression.
- Laisser l’imprimante 3D fabriquer des prototypes de forme complexes. N’ouvrez pas l’imprimante jusqu'à ce que le travail d’impression est terminé.
Remarque : Avant d’imprimer, assurez-vous que l’imprimante 3D est nivelé. Pour le protocole démontré, la longueur d’onde du laser UV est de 405 nm. Le temps d’impression de l’objet est de 2,5 h.
3. après le traitement de la 3D imprimé objets
Remarque : Utilisez les équipements de protection individuelle (lunettes, gants) au cours de la procédure suivante.
- Lorsque le travail d’impression est terminé, ouvrez l’imprimante. Enlever la plate-forme de construction, avec les pièces produites attachés et fermer l’imprimante.
- Ouvrez la station de lavage, remplie de l’alcool isopropylique et insérez la plateforme de génération. Commencer la procédure et rincer pendant 20 min enlever toute résine n’a pas réagi.
- Lorsque la procédure de rinçage est terminée, retirer la plate-forme construction de la station de lavage et détacher les prototypes de la plate-forme de construction.
- Les prototypes à l’air laisser sécher pendant 30 min. Entre-temps, Préchauffer le four UV à 60 ° C.
Remarque : Préchauffage prendra au moins 15 min. La longueur d’onde UV du four est de 405 nm, identique à la longueur d’onde du laser SLA. - Ouvrez le four UV et placer rapidement des prototypes sur la plate-forme tournante. Fermer le four UV et la guérison pendant 60 min à 60 ° C pour assurer une conversion complète.
- Lorsque la procédure après polymérisation est terminée, ouvrez le four UV et retirer les prototypes.
4. caractérisation de la morphologie de Surface des Prototypes de formes complexes
Remarque : Consultez nos anciens travaux12 pour plus de détails sur cette section.
- Couper env. 1 cm d’hélice interne du prototype de forme complexe à l’aide d’une lame de rasoir.
- Fixer l’échantillon sur le porte-échantillon avec auto-ADHESIF double face carbone.
- Avant l’imagerie, enrober l’échantillon avec 30 nm Pt et du perfectionnement professionnel (80/20) sur un système de pulvérisation.
- Introduire l’échantillon dans un microscope électronique fonctionnant à une tension d’accélération de 5 kV. Acquérir plusieurs images de l’échantillon à 30 X et 120 X grossissement.
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Representative Results
Quatre compositions de résine représentant sont affichées dans le tableau 1, ainsi que leur teneur en carbone moyen biologique (BC) dérivé de la BC individuel des composants. La viscosité de la résine (Figure 1) est influencée par le rapport de l’acrylate d’éthyle monomères et oligomères et montre généralement comportement newtonien. Les propriétés mécaniques des pièces fabriquées à base de résines diverses ont été déterminées par l’analyse de contrainte-déformation. La figure 2 affiche les résultats représentatifs sur une machine d’essai universelle en termes d’élasticité et résistance à la traction. L’effet du traitement post-impression sur la performance du produit est représenté à la Figure 3. La résolution de la fonctionnalité de surface et de haute lisse du complexe en forme de prototypes est révélée par le microscope électronique (Figure 4). La mesure de la fissuration de surface est liée à la viscosité de la résine initial.
| Résine | TPO | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | COLOMBIE-BRITANNIQUE |
| % 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 |
Tableau 1 : R formulation de résine d’acrylate es. Caractéristiques des résines bioacrylate représentatif, illustrant la teneur en carbone résine composition et biologique.
Figure 1 : comportement rhéologique des renouvelables résines acryliques avant l’impression 3D. Viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement pour des échantillons BAPR non polymérisées. La figure est adaptée avec la permission (tous droits réservés 2018 American Chemical Society). 12 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : performances mécaniques des produits 3D fabriqués à partir de divers bioresins par un appareil de stéréolithographie. Résistance à la traction (rouge) et le module de Young (cyan) de pièces produits de salaisonnées BAPRs. Les barres de traction (ISO 527-2-1BA) ont été imprimées perpendiculaires à la direction de la construction. Barres d’erreur indiquent l’écart-type. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Influence de l’impression après traitement sur les performances mécaniques des produits 3D. Résistance à la traction des pièces produites après traités dans diverses conditions. Les barres de traction (ISO 527-2-1BA) ont été imprimées perpendiculaires à la direction de la construction. Barres d’erreur indiquent l’écart-type. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : représentation visuelle et microscopique de forme complexe des prototypes fabriqués à partir de divers bioresins par un appareil de stéréolithographie. (A) Photo du prototype de tour tour imprimés BAPR-α (en haut) et la SEM images d’hélice interne correspondante (en bas). (B) Photo du prototype de tour tour imprimés BAPR-β (en haut) et la SEM images d’hélice interne correspondante (en bas). (C) Photo du prototype de tour tour imprimés BAPR-γ (en haut) et la SEM images d’hélice interne correspondante (en bas). (D) Photo du prototype de tour tour imprimés BAPR-δ (en haut) et la SEM images d’hélice interne correspondante (en bas). La figure est adaptée avec la permission (tous droits réservés 2018 American Chemical Society)12. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Fabrication additive est appliquée dans la fabrication de prototypes sur mesure et de petites séries, lorsque les coûts de production plus élevés chaque partie ne peuvent rivaliser avec les procédés classiques puisqu’il n’y a pas besoin pour la production de moules et d’outils. Au cours de la dernière décennie, les revenus provenant des services et produits liés à la fabrication additive ont connu une croissance exponentielle13. La fraction la plus importante des ventes de matériel provient des photopolymères. La croissance a attiré l’attention et initié les investissements des grandes industries, par exemple, aeronautique, automobile, médical. Par conséquent, le domaine de l’impression 3D est censé accroître dans les années à venir.
Nous avons démontré une méthode efficace pour la fabrication précise et à la demande de produits durables avec des résines de photopolymère renouvelable sur une imprimante 3D stéreolithographie. L’utilisation de faible coût biobased acrylates comme composant principal rend ces résines potentiellement concurrentielle par rapport à leurs homologues commerciaux. Par ailleurs, les formulations bioresin ont été appliquées avec succès dans une 3D SLA standard procédé d’impression, utilisant ainsi la même procédure et les paramètres, tel qu’appliqué pour résines commerciales. La viscosité de la résine d’acrylate d’éthyle est un paramètre essentiel dans le processus d’impression 3D et est contrôlée par le monomère ratio oligomère. En général, un taux de cisaillement de 100 s-1 est atteint pendant l’entre les couches de résine liquide dans le processus d’impression14,15. Dans cette région, tous les bioresins ont une viscosité inférieure à 5 PA.s (Figure 1) et conviennent aux applications dans les machines à imprimer les stéreolithographie.
Axée sur la lithographie de fabrication additive est reconnue pour son excellente qualité de surface et de la précision par rapport à FDM et frittage de poudre (SLS)16,17. Ceci est clairement démontré par les images photographiques et microscopiques représentant le complexe en forme de prototypes (Figure 4). Au contraire, les propriétés mécaniques des pièces produites sont limitées en raison du choix limité des matériaux adaptés pour la SLA processus18,19. Systèmes d’acrylate d’éthyle montrent en général fragilité et résistance au choc pauvres en raison de la réticulation haute densité et architecture réseau hétérogène. Par conséquent, les matériaux 3D imprimé des renouvelables résines acryliques ont une résistance de 2 à 8 MPa (Figure 2), qui est plus faible en comparaison avec les produits commerciaux12. Néanmoins, optimisation du traitement post, en faisant varier la durée du lavage, de séchage, de durcissement et de température de durcissement, conduit à une amélioration significative des performances mécaniques (Figure 3).
L’analyse microscopique révèle la résolution haute fonctionnalité et une excellente surface de finition des produits prototypes sous fort grossissement (Figure 4). Les bords verticaux dentelés des hélices découlent le procédé d’impression couche par couche SLA, dans lequel la partie supérieure d’une couche exposée reçoit une dose d’UV plus grande par rapport à l’arrière d’une couche8. Les fissures observées sur la surface des prototypes fabriqués peuvent résulter de rétrécissement forces développées dans l’UV, procédé de polymérisation. Retrait dans les systèmes de l’acrylate d’éthyle s’avère être inversement proportionnelle à la viscosité de résine20,21. Par conséquent, l’étendue de la fissuration (Figure 4) est réduite lors de l’application photoresins plus visqueux (Figure 1).
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Cette étude a été financée par GreenPAC polymère Application Centre dans le cadre du projet 140413 : « impression 3D en Production ». Nous tenons à remercier Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken et Albert Woortman pour faciliter la prise de vue vidéo.
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
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