Summary
Ein Protokoll für additive Fertigung mit erneuerbaren Photopolymer Harzen auf einem Stereolithographie-Apparat wird vorgestellt.
Abstract
Die Zugänglichkeit der kostengünstige erneuerbare Materialien und deren Anwendung bei der additiven Fertigung ist für eine effiziente biobasierten Wirtschaft unerlässlich. Wir demonstrieren das rapid Prototyping von nachhaltigen Harzen mit einem köraform 3D-Drucker. Harz-Formulierung erfolgt durch einfache Vermischung von biobasierten Acrylat-Monomere und Oligomere mit Photoinitiatior und optischen Absorber. Harz-Viskosität wird gesteuert durch das Monomer Oligomer-Verhältnis und wird als Funktion der Schergeschwindigkeit durch ein Rheometer mit parallelen Plattengeometrie bestimmt. Ein köraform Apparat aufgeladen mit den biobasierten Harzen wird eingesetzt, um komplex geformte Prototypen mit hoher Genauigkeit zu fertigen. Die Produkte erfordern eine Nachbehandlung, einschließlich Alkohol spülen und UV-Bestrahlung, um vollständige Heilung zu gewährleisten. Die hohe Funktion Auflösung und hervorragende Oberflächenbearbeitung der Prototypen wird aufgedeckt durch Rasterelektronenmikroskopie.
Introduction
Rapid-Prototyping bedarfsgesteuerte Produktion und Design-Freiheit ermöglicht und erlaubt, dass die effiziente Herstellung von 3D in einer Schicht für Schicht Weise1konstruiert. Infolgedessen hat 3D-Druck als Herstellung Technik schnell in den letzten Jahren2entwickelt. Verschiedene Technologien zur Verfügung, alle unter Berufung auf die Übersetzung von virtuellen Modellen in physische Objekte und Prozesse wie z. B. Extrusion, direkte Energie Ablagerung, Pulver Erstarrung, Blatt Laminieren und Photopolymerisation anwenden. Dieser umfasst schrittweise UV-Härtung von flüssigen Photopolymer-Harzen. Im Jahr 1986 entwickelt Rumpf und Kollegen Vorrichtung Stereolithographie (SLA), ein UV-Laser-basierten 3D Drucker. In jüngerer Zeit, ein ähnlicher Prozess namens digital Light processing (DLP) verfügbar geworden sind, in welche Photopolymerisation durch ein Lichtprojektor initiiert wird. Zusammen, sind DLP und SLA Stereolithografie 3D Druck3genannt.
SLA ist in hoher Auflösung Prototyping und Fertigung von biomedizinischer Geräte4,5angewendet. Diese Technologie ist besser als weit verbreitete fused Deposition modeling (FDM) in Bezug auf Genauigkeit, Oberflächenveredelung und Auflösung6. Je nach Architektur des Produkts ist eine Unterstützungsstruktur im 3D-Modell, das Konstrukt zu stabilisieren während der Fertigung integriert. Darüber hinaus ist eine Post-Druck Behandlung der hergestellten Teile erforderlich7,8. In der Regel gedruckte Objekte werden in einem Alkohol-Bad aufzulösen nicht umgesetztes Harz gewaschen und anschließende Aushärtung im Backofen UV wird durchgeführt, um die vollständige Umwandlung der Polymerisation9zu gewährleisten.
Im Allgemeinen setzen Harze für Lithographie-basierte additive Fertigung auf lichthärtenden Systeme mit multifunktionalen Acrylaten oder Epoxide10. Aktuelle Photopolymer-Harze auf dem kommerziellen Markt sind fossile und teuer, während die Verfügbarkeit von kostengünstigen erneuerbare Harze benötigt wird, um abfallfreie und lokale Herstellung von nachhaltigen 3D-Produkte für einen biobasierten Wirtschaft1 zu erleichtern , 6. vor kurzem Photopolymer Harze basierend auf erneuerbaren Acrylaten entwickelt und erfolgreich in Stereolithographie 3D Druck11,12angewendet wurden. In diesem ausführlichen Protokoll zeigen wir das rapid Prototyping mit biobasierten Harzen auf einem kommerziellen Stereolithographie-Apparat. Besonderes Augenmerk ist zu kritischen Schritte des Verfahrens, d. h. Harz Formulierung und Post-Drucken-Behandlungen, neue Praktiker im Bereich der additiven Fertigung helfen.
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Protocol
Achtung: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Gebrauch.
1. Vorbereitung des lichthärtenden Harz
Hinweis: Verwenden Sie persönlichen Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel) während der folgenden Prozedur. In diesem Abschnitt entnehmen Sie unserer bisherigen Arbeit12 Näheres.
- Gießen Sie 50 g 1,10-Decanediol Diacrylate (SA5201) in einen 500-mL-Erlenmeyerkolben.
- Fügen Sie 1,0 g diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphin-Oxid (TPO) und 0,40 g 2,5 -BIZ(5 -Tert-Butyl-Benzoxazol-2-Yl) Thiophen (BBOT) in den Kolben.
- Ausrüsten des Kolbens mit einem mechanischen Rührwerk und rühren Sie die Mischung bei 200 u/min für 5 min bei Raumtemperatur um TPO und BBOT in das Acrylat-Monomer aufzulösen.
- Geben Sie 100 g Pentaerythritol-Tetraacrylate und 100 g multifunktionale Epoxy-Acrylat (siehe Tabelle der Materialien), die Mischung.
- Rühren Sie die Mischung bei 200 u/min für 30 min bei 50 ° C zu eine homogenere Harz zu gewährleisten.
- Die mechanische Rührer entfernen und einsetzen des Kolbens mit einem stopfen. Der Kolben ist verpackt in Alufolie um den biobasierten Acrylat Photopolymer Harz (BAPR) vor Licht zu schützen.
Hinweis: Das Protokoll kann hier angehalten werden. - Decken Sie die Bodenplatte ein Rheometer mit Parallel-Plattengeometrie mit der Photoresin.
- Abstand zwischen den Platten bei 1 mm einstellen und dem Rheometer mit UV beständig Kapuze zu decken.
- Messen Sie die Harz-Viskosität bei Raumtemperatur bei Scherraten von 0,1 bis 100 s-1; z. B.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, und 100 s-1.
(2) Köraform 3D-Druck mit biobasierten Acrylaten
Hinweis: Siehe unsere bisherige Arbeit12 für weitere Details auf diesem Abschnitt.
- Schalten Sie die SLA-3D-Drucker und wählen Sie öffnen Modus.
- Starten Sie die Modell-Vorbereitung-Software auf einem Computer. Wählen Sie die gewünschten Druckeinstellungen: Material (klar), Version (V4) und Schichtdicke (50 µm).
- Öffnen Sie das digitale Modell des Prototyps komplex geformten, eine standard tesselation-Sprachdatei (STL) (siehe Zusätzliche Codierung Datei) und wählen Sie die Position und Ausrichtung auf der Bauplattform. Laden Sie den Druckauftrag aus der Modell-Software zur Vorbereitung auf die SLA-3D-Drucker.
Hinweis: Abhängig von der Architektur des Produkts eine Unterstützungsstruktur im 3D-Modell, das Konstrukt während der Fertigung zu stabilisieren sind integrierbar. Im Falle der komplex geformten Prototyp demonstriert hier ist eine Unterkonstruktion nicht erforderlich, wenn senkrecht zur Build gedruckt. - Gießen Sie 200 mL von biobasierten Photoresin in einem Harz-Tank. Öffnen Sie den 3D Drucker und montieren Sie die Harz-Tank ordnungsgemäß zu.
- Montieren Sie der Bauplattform und schließen Sie den 3D Drucker.
- Starten Sie den Druckauftrag.
- Lassen Sie den 3D Drucker komplex geformte Prototypen herzustellen. Öffnen Sie den Drucker nicht, bis der Druckauftrag abgeschlossen ist.
Hinweis: Vor dem Drucken, stellen Sie sicher, dass der 3D-Drucker abgeglichen wird. Für die nachgewiesene Protokoll ist die Wellenlänge der UV-Laser 405 nm. Die Druckzeit des Objekts beträgt 2,5 h.
3. Nachbehandlung von 3D Objekten gedruckt
Hinweis: Verwenden Sie persönlichen Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe) während der folgenden Prozedur.
- Wenn der Druckauftrag abgeschlossen ist, öffnen Sie den Drucker. Entfernen Sie die Bauplattform mit der produzierten Teile befestigt, und schließen Sie den Drucker.
- Öffnen Sie die Waschstation, gefüllt mit Isopropyl-Alkohol, und fügen Sie der Bauplattform. Starten Sie das Verfahren und die Spülung für 20 min, kein umgesetztes Harz zu entfernen.
- Wenn die Spülung Verfahren abgeschlossen ist, entfernen Sie die Bauplattform aus der Waschanlage und lösen Sie die Prototypen aus der Bauplattform.
- Lassen Sie die Prototypen in die Luft für 30 min trocknen. In der Zwischenzeit Backofen Sie den UV bei 60 ° C.
Hinweis: Vorheizen dauert mindestens 15 Minuten. Die UV-Wellenlänge des Ofens beträgt 405 nm, identisch mit der Wellenlänge des Lasers SLA. - Öffnen Sie den UV-Backofen und schnell die Prototypen auf die sich drehende Plattform. Schließen Sie die UV-Ofen und Heilung für 60 min bei 60 ° C, um die vollständige Umwandlung zu gewährleisten.
- Wenn die Post-heilende Verfahren abgeschlossen ist, öffnen Sie den UV-Backofen und nehmen Sie die Prototypen.
4. Charakterisierung der Oberflächenmorphologie von komplex geformten Prototypen
Hinweis: Siehe unsere bisherige Arbeit12 für weitere Details auf diesem Abschnitt.
- Schneiden Sie ca. 1 cm interne Helix vom komplex geformte Prototyp mit einer Rasierklinge.
- Der Probenhalter mit Doppel doppelseitigen Kohlenstoff leitfähige Band Probe zuordnen.
- Vor der Bildgebung, Mantel die Probe mit 30 nm Pt/Pd (80: 20) auf eine Sputteranlage.
- Legen Sie die Probe in ein Raster-Elektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV. Erwerben Sie mehrere Bilder der Probe bei 30 X und 120 X Vergrößerung.
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Representative Results
Vier Vertreter Harz Kompositionen sind in Tabelle 1, zusammen mit ihre durchschnittliche biobasierten Kohlenstoffgehalt (BC) abgeleitet von den einzelnen BC der Komponenten angezeigt. Die Viskosität des Harzes (Abbildung 1) wird durch das Verhältnis von Acrylat-Monomere und Oligomere beeinflusst und in der Regel zeigt Newtonsches Verhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Teile, die aus verschiedenen Harzen hergestellt wurden durch Belastungs-Beanspruchungs-Analyse bestimmt. Abbildung 2 zeigt die repräsentative Ergebnisse auf einer Universalprüfmaschine in Bezug auf E-Modul und Zugfestigkeit. Die Wirkung des Post-Druck auf die Produktleistung ist in Abbildung 3dargestellt. Die glatte Oberfläche und hohe Funktion Auflösung der komplex geformten Prototypen erschließt sich durch das Elektronenmikroskop (Abbildung 4). Das Ausmaß der Oberfläche Risse bezieht sich auf die ersten Harz Viskosität.
| Harz | TPO | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | V. CHR. |
| % 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 |
Tabelle 1: R Enewable Acrylat Harz Formulierung. Merkmale der repräsentativen Bioacrylate Harze, Harz Zusammensetzung und Biobasierte Kohlenstoffgehalt darstellt.
Abbildung 1: rheologische Verhalten von erneuerbaren Acrylat-Harzen vor 3D-Druck. Viskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit für noch nicht ausgehärteten BAPR Proben. Abbildung ist mit Erlaubnis (Copyright 2018 American Chemical Society) angepasst. 12 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: mechanische Leistung des 3D Produkte, hergestellt aus verschiedenen Bioresins durch eine Stereolithographie-Apparat. Zugfestigkeit (rot) und des Elastizitätsmoduls (Cyan) der produzierten Teile von ausgehärteten BAPRs. Zugfestigkeit (ISO 527-2-1BA) Balken wurden senkrecht zur Build gedruckt. Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Einfluss der Post-Behandlung auf die mechanische Leistung von 3D Produkten drucken. Zugfestigkeit von produzierten Teilen Post-unter verschiedenen Bedingungen behandelt. Zugfestigkeit (ISO 527-2-1BA) Balken wurden senkrecht zur Build gedruckt. Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: visuelle und mikroskopische Darstellung von komplex geformten Prototypen von einem Stereolithographie-Apparat aus verschiedenen Bioresins hergestellt. (A) Foto von Turm Turm Prototyp bedruckt mit BAPR-α (oben) und SEM Bilder der entsprechenden internen Helix (unten). (B) Foto von Turm Turm Prototyp bedruckt mit BAPR-β (oben) und SEM Bilder der entsprechenden internen Helix (unten). (C) Foto von Turm Turm Prototyp bedruckt mit BAPR-γ (oben) und SEM Bilder der entsprechenden internen Helix (unten). (D) Foto von Turm Turm Prototyp bedruckt mit BAPR-δ (oben) und SEM Bilder der entsprechenden internen Helix (unten). Abbildung ist mit Erlaubnis (Copyright 2018 American Chemical Society)12angepasst. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Additiver Fertigung wird bei der Herstellung von maßgeschneiderten Prototypen und Kleinserien, angewendet, wenn die höheren Produktionskosten pro Teil mit herkömmlichen Verfahren konkurrieren können, da gibt es keine Notwendigkeit für die Herstellung von Formen und Werkzeugen. In den letzten zehn Jahren haben die Einnahmen aus Dienstleistungen und Produkte rund um die additive Fertigung13exponentiell gewachsen. Der größte Teil der materiellen Umsatz ist von Photopolymeren. Das Wachstum für Aufsehen und initiiert die Investitionen der wichtigen Branchen, z. B. Luft-und Raumfahrt, automotive, Medizintechnik. Bereich des 3D Druckens wird daher voraussichtlich in den kommenden Jahren weiter auszubauen.
Wir haben eine effiziente Methode für die genaue und on-Demand Herstellung nachhaltiger Produkte mit erneuerbaren Photopolymer Harzen auf einen 3D-Drucker köraform bewiesen. Die Verwendung von kostengünstigen biobasierten Acrylate als Hauptbestandteil macht diese Harze potenziell kostengünstige in Bezug auf ihre kommerziellen Gegenstücke. Darüber hinaus wurden die Bioresin Formulierungen in eine standardisierte SLA 3D Druckverfahren, dabei die gleichen Verfahren und Einstellungen für kommerzielle Harze angewendet erfolgreich eingesetzt. Die Viskosität des Harzes Acrylat ist ein wesentlicher Parameter in das 3D-Druckverfahren und wird gesteuert durch das Monomer Oligomer-Verhältnis. In der Regel wird eine scherrate von 100 s-1 während der dichtungsspülleitungen Flüssigharz in der Druckerei Prozess14,15erreicht. In dieser Region alle Bioresins haben eine Viskosität unter 5 Pa·s (Abbildung 1) und eignen sich für den Einsatz in köraform Druckmaschinen.
Lithographie-basierte additiver Fertigung ist anerkannt für seine exzellente Oberflächenqualität und Präzision im Vergleich zu FDM und selektives Laser Sintern (SLS)16,17. Dies wird deutlich durch die fotografischen und mikroskopische Bilder repräsentieren die komplex geformten Prototypen (Abbildung 4). Im Gegenteil, beschränken sich die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Teile aufgrund der begrenzten Auswahl an Materialien, geeignet für die SLA-Prozess18,19. Acrylat-Systeme zeigen im allgemeinen Sprödigkeit und schlechte Schlagfestigkeit aufgrund hoher Crosslink Dichte und inhomogenen Netzwerkarchitektur. Infolgedessen die Materialien 3D-Druck aus erneuerbaren Acrylat-Harze haben eine Zugfestigkeit von 2 bis 8 MPa (Abbildung 2), das ist niedriger im Vergleich zu kommerziellen Produkten12. Dennoch führt Optimierung der Nachbehandlung durch Variation der Dauer der waschen, Trocknen, kurieren und Temperatur zu heilen, zu einer signifikanten Verbesserung in mechanische Leistung (Abbildung 3).
Mikroskopische Analyse zeigt die hohe Funktion Auflösung und hervorragende Oberflächenbearbeitung der produzierten Prototypen unter hoher Vergrößerung (Abbildung 4). Die gezackten vertikalen Kanten der Helices ergeben sich aus der Schicht für Schicht SLA Druckverfahren, bei denen oben auf einem exponierten Schicht eine höhere UV-Dosis im Vergleich zu der Rückseite eines Layer-8 erhält. Die Risse auf der Oberfläche der gefertigten Prototypen beobachtet können resultieren aus schwinden Kräfte in der UV-Härtung Prozess entwickelt. Schrumpfung in Acrylat-Systeme findet man umgekehrt auf den Harz Viskosität20,21bezogen werden. Daher ist das Ausmaß der Rissbildung (Abbildung 4) reduziert die Beantragung zähflüssiger Photoresins (Abbildung 1).
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Studie wurde unterstützt durch GreenPAC Polymer-Antrags-Zentrum im Rahmen des Projekts 140413: "3D Druck in der Produktion". Wir würden gerne Albert Hartman, Corinne van Noordenne anerkennen, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken und Albert Woortman zur Erleichterung der video-Aufnahmen.
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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