Summary
एक stereolithography तंत्र पर अक्षय photopolymer रेजिन के साथ additive विनिर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है ।
Abstract
लागत प्रतिस्पर्धी अक्षय सामग्री और additive विनिर्माण में उनके आवेदन की पहुंच एक कुशल आधारित अर्थव्यवस्था के लिए आवश्यक है । हम एक stereolithographic 3 डी प्रिंटर का उपयोग कर स्थाई रेजिन के तेजी से प्रोटोटाइप का प्रदर्शन । राल निर्माण एक photoinitiatior और ऑप्टिकल अवशोषक के साथ acrylate मोनोमर और oligomers का सीधा मिश्रण द्वारा जगह लेता है । राल चिपचिपापन oligomer अनुपात करने के लिए मोनोमर द्वारा नियंत्रित किया जाता है और समानांतर प्लेट ज्यामिति के साथ एक rheometer द्वारा कतरनी दर के एक समारोह के रूप में निर्धारित किया जाता है । एक stereolithographic उपकरण आधारित रेजिन के साथ आरोप लगाया उच्च सटीकता के साथ जटिल आकार प्रोटोटाइप का उत्पादन करने के लिए कार्यरत है । उत्पादों के बाद उपचार, शराब धोने और यूवी विकिरण सहित, पूरा इलाज सुनिश्चित करने के लिए की आवश्यकता है । उच्च सुविधा का संकल्प और प्रोटोटाइप की उत्कृष्ट सतह परिष्करण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी स्कैनिंग से पता चला है ।
Introduction
रैपिड प्रोटोटाइप पर मांग उत्पादन और डिजाइन स्वतंत्रता सक्षम बनाता है और 3 डी के कुशल विनिर्माण एक परत-दर-परत1में निर्माण की अनुमति देता है । नतीजतन, एक निर्माण तकनीक के रूप में 3 डी मुद्रण तेजी से हाल के वर्षों में विकसित की है2। विभिंन प्रौद्योगिकियों, सभी भौतिक वस्तुओं में आभासी मॉडल के अनुवाद पर निर्भर उपलब्ध हैं, और बाहर निकालना, प्रत्यक्ष ऊर्जा जमाव, पाउडर solidification, शीट फाड़ना और photopolymerization जैसे प्रक्रियाओं को लागू करने । बाद तरल photopolymer रेजिन के stepwise यूवी इलाज शामिल है । १९८६ में, पतवार और सह कार्यकर्ता stereolithography तंत्र (SLA), एक यूवी लेजर आधारित 3 डी प्रिंटर विकसित की है । हाल ही में, एक ऐसी ही प्रक्रिया डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग (DLP) कहा जाता है उपलब्ध हो गया है, जिसमें photopolymerization एक प्रकाश प्रोजेक्टर द्वारा शुरू की है । साथ में, DLP और SLA stereolithography 3d प्रिंटिंग3के रूप में जाना जाता है ।
SLA उच्च संकल्प प्रोटोटाइप और बायोमेडिकल उपकरणों के निर्माण में लागू किया जाता है4,5। इस प्रौद्योगिकी सटीकता, सतह परिष्करण और संकल्प6के मामले में व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जमाव से जुड़े बयान मॉडलिंग (FDM) से बेहतर है । उत्पाद की वास्तुकला पर निर्भर करता है, एक समर्थन संरचना 3 डी मॉडल में एकीकृत करने के निर्माण के दौरान उत्पादन को स्थिर है । इसके अलावा, एक के बाद निर्मित भागों के मुद्रण उपचार7,8की आवश्यकता है । आमतौर पर, मुद्रित वस्तुओं एक शराब स्नान में धोया राल भंग करने के लिए कर रहे हैं, और एक यूवी ओवन में बाद में इलाज बहुलकीकरण9की पूर्ण रूपांतरण की गारंटी के लिए किया जाता है ।
सामान्य तौर पर, लिथोग्राफी के लिए रेजिन-आधारित additive विनिर्माण photocurable प्रणालियों पर निर्भर करते हैं जिसमें बहुआयामी acrylates या epoxides10हैं । वाणिज्यिक बाजार पर वर्तमान photopolymer रेजिन जीवाश्म आधारित और महंगा है, जबकि कम लागत वाले अक्षय रेजिन की उपलब्धता के लिए एक जैव आधारित अर्थव्यवस्था के लिए टिकाऊ 3 डी उत्पादों के अपशिष्ट मुक्त और स्थानीय विनिर्माण की सुविधा की जरूरत है1 , 6. हाल ही में अक्षय acrylates पर आधारित photopolymer रेजिन का विकास हुआ और stereolithography 3डी प्रिंटिंग11,12में सफलतापूर्वक लागू किया गया । इस विस्तृत प्रोटोकॉल में, हम तेजी से एक वाणिज्यिक stereolithography उपकरण पर आधारित रेजिन के साथ प्रोटोटाइप का प्रदर्शन । विशेष ध्यान प्रक्रिया में महत्वपूर्ण कदम के लिए भुगतान किया है, यानी, राल निर्माण और पोस्ट मुद्रण उपचार, additive विनिर्माण के क्षेत्र में नए चिकित्सकों की मदद करने के लिए.
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Protocol
सावधानी: उपयोग से पहले सभी प्रासंगिक सामग्री सुरक्षा डाटा शीट (MSDS) से परामर्श करें ।
1. Photocurable राल की तैयारी
नोट: निंनलिखित प्रक्रिया के दौरान व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (सुरक्षा चश्मा, दस्ताने, लैब कोट) का उपयोग करें । इस अनुभाग के बारे में अधिक जानकारी के लिए हमारा पिछला कार्य12 देखें ।
- एक ५०० मिलीलीटर Erlenmeyer कुप्पी में 1, 10-decanediol diacrylate (SA5201) के ५० ग्राम डालो ।
- diphenyl (2, 4, 6-trimethylbenzoyl) phosphine ऑक्साइड (टीपीओ) और ०.४० ग्राम के 2, 5-बीआईएस(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl) thiophene (BBOT) की कुप्पी तक जोड़ें ।
- एक यांत्रिक सरगर्मी के साथ कुप्पी लैस और acrylate मोनोमर में टीपीओ और BBOT भंग करने के क्रम में कमरे के तापमान पर 5 मिनट के लिए २०० rpm पर मिश्रण हलचल ।
- जोड़ें १०० जी के pentaerythritol tetraacrylate और १०० जी के बहुआयामी epoxy acrylate (देखें सामग्री की तालिका) मिश्रण करने के लिए.
- एक सजातीय राल सुनिश्चित करने के लिए ५० डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट के लिए २०० rpm पर मिश्रण हिलाओ ।
- यांत्रिक सरगर्मी निकालें और एक डाट के साथ कुप्पी फिट । कुप्पी को एल्यूमीनियम पन्नी में लपेटकर प्रकाश से acrylate photopolymer राल (BAPR) की रक्षा की जाती है.
नोट: प्रोटोकॉल यहां ठहराया जा सकता है । - photoresin के साथ समानांतर प्लेट ज्यामिति के साथ एक rheometer के नीचे की थाली को कवर ।
- 1 मिमी में प्लेटों के बीच अंतर सेट और एक यूवी प्रतिरोधी हुड के साथ rheometer कवर ।
- ०.१ से १०० s-1के लिए कतरनी दरों पर कमरे के तापमान पर राल चिपचिपापन को मापने; उदा.,०.१००, ०.१२६, ०.१५८, ०.२००, ०.२५१, ०.३१६, ०.३९८, ०.५०१, ०.६३१, ०.७९४, १.००, १.२६, १.५८, २.००, २.५१, ३.१६, ३.९८, ५.०१, ६.३१, ७.९४, १०.०, १२.६, १५.८, २०.०, २५.१, ३१.६, ३९.८, ५०.१, ६३.१, ७९.४, और १०० एस-1।
2. Stereolithographic आधारित Acrylates के साथ 3d प्रिंटिंग
नोट: इस अनुभाग पर अधिक विवरण के लिए हमारा पिछला कार्य12 देखें ।
- SLA 3d प्रिंटर को चालू करें और ओपन मोड चुनें ।
- किसी कंप्यूटर पर मॉडल तैयारी सॉफ़्टवेयर प्रारंभ करें । वांछित प्रिंट सेटिंग्स चुनें: सामग्री (स्पष्ट), संस्करण (V4) और परत मोटाई (५० µm) ।
- परिसर के आकार का प्रोटोटाइप, एक मानक पच्चीकारी भाषा (. stl) फ़ाइल के डिजिटल मॉडल खोलें ( पूरक कोडिंग फ़ाइलदेखें) और मंच के निर्माण पर स्थान और अभिविन्यास का चयन करें । मॉडल तैयारी सॉफ्टवेयर से SLA 3d प्रिंटर पर प्रिंट जॉब अपलोड करें ।
नोट: उत्पाद की वास्तुकला पर निर्भर करता है, एक समर्थन संरचना 3 डी मॉडल में एकीकृत किया जा सकता निर्माण के दौरान उत्पादन को स्थिर करने के लिए । परिसर के आकार का प्रोटोटाइप के मामले में यहां का प्रदर्शन किया, एक समर्थन संरचना की आवश्यकता नहीं है अगर निर्माण की दिशा में सामांय मुद्रित । - एक राल टैंक में photoresin आधारित के २०० मिलीलीटर डालो । 3d प्रिंटर खोलें और राल टैंक को ठीक से माउंट करें ।
- माउंट मंच का निर्माण और 3 डी प्रिंटर बंद करो ।
- मुद्रण कार्य प्रारंभ करें ।
- 3 डी प्रिंटर के लिए जटिल आकार प्रोटोटाइप बनाना अनुमति देते हैं । मुद्रण कार्य समाप्त होने तक प्रिंटर नहीं खोलें ।
नोट: मुद्रण से पहले, सुनिश्चित करें कि 3d प्रिंटर स्तरित है । प्रदर्शन प्रोटोकॉल के लिए, यूवी लेजर की तरंग दैर्ध्य ४०५ एनएम है । ऑब्जेक्ट का मुद्रण समय २.५ h है ।
3.3 डी मुद्रित वस्तुओं के बाद उपचार
नोट: कृपया निंनलिखित प्रक्रिया के दौरान व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (सुरक्षा चश्मा, दस्ताने) का उपयोग करें ।
- मुद्रण कार्य समाप्त होने पर, प्रिंटर खोलें । बिल्ड प्लेटफ़ॉर्म, संलग्न उत्पादित भागों के साथ निकालें, और प्रिंटर को बंद करें ।
- वाशिंग स्टेशन खोलें, isopropyl शराब से भरा है, और निर्माण मंच डालें । प्रक्रिया शुरू और 20 मिनट के लिए कुल्ला किसी भी प्रतिक्रिया राल को दूर करने के लिए ।
- जब कुल्ला प्रक्रिया समाप्त हो गया है, धोने स्टेशन से बिल्ड प्लेटफॉर्म को हटा दें और निर्माण मंच से प्रोटोटाइप अलग ।
- अनुमति प्रोटोटाइप 30 मिनट के लिए शुष्क हवा के लिए । इस बीच में, पहले से गरम ६० ° c पर यूवी ओवन ।
नोट: पहले से कम 15 मिनट का समय लगेगा । यूवी तरंग दैर्ध्य ओवन के ४०५ एनएम, SLA लेजर की तरंग दैर्ध्य के समान है । - यूवी ओवन खोलें और जल्दी से प्रोटोटाइप घूर्णन मंच पर जगह है । यूवी ओवन बंद करो और ६० डिग्री सेल्सियस पर ६० मिनट के लिए इलाज पूरा रूपांतरण सुनिश्चित करने के लिए ।
- जब बाद इलाज प्रक्रिया समाप्त हो गया है, यूवी ओवन को खोलने और प्रोटोटाइप बाहर ले ।
4. जटिल आकार के प्रोटोटाइप की सतह आकृति विज्ञान का लक्षण वर्णन
नोट: इस अनुभाग पर अधिक विवरण के लिए हमारा पिछला कार्य12 देखें ।
- एक उस्तरा ब्लेड का उपयोग कर परिसर के आकार का प्रोटोटाइप से आंतरिक कुण्डली के ca .1 सेमी कट ।
- नमूना धारक को दो तरफा कार्बन प्रवाहकीय टेप के साथ नमूना संलग्न करें ।
- इमेजिंग करने से पहले, कोट 30 एनएम पीटी/पीडी (80:20) के साथ एक sputtering प्रणाली पर नमूना ।
- एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन 5 केवी के एक तेजी से वोल्टेज पर काम कर माइक्रोस्कोप में नमूना डालें । 30एक्स और 120X आवर्धन पर नमूने के कई चित्र प्राप्त करें ।
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Representative Results
चार प्रतिनिधि राल रचनाएं 1 तालिकामें प्रदर्शित कर रहे हैं, उनके औसत आधारित कार्बन सामग्री (ई. पू.) घटकों के व्यक्तिगत ई. पू. से व्युत्पंन के साथ । राल चिपचिपापन (चित्रा 1) acrylate मोनोमर और oligomers के अनुपात से प्रभावित है और आम तौर पर ंयूटोनियन व्यवहार को दर्शाता है । विभिंन रेजिन से निर्मित भागों के यांत्रिक गुणों तनाव-दबाव विश्लेषण द्वारा निर्धारित किया गया । चित्रा 2 ई-मापांक और तंयता ताकत के मामले में एक सार्वभौमिक परीक्षण मशीन पर प्रतिनिधि परिणाम प्रदर्शित करता है । उत्पाद के प्रदर्शन पर पोस्ट-प्रिंटिंग ट्रीटमेंट का प्रभाव चित्रा 3में दर्शाया गया है । जटिल आकार के प्रोटोटाइप की चिकनी सतह और उच्च सुविधा संकल्प इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (चित्रा 4) से पता चला है । सतह खुर की हद तक प्रारंभिक राल चिपचिपापन से संबंधित है ।
| राल | Tpo | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | ईसा पूर्व |
| % w/w | % w/w | % w/w | % w/w | % w/w | % w/w | % | |
| BAPR-α | ०.४० | ०.१६ | 20 | ४० | ४० | ६७ | |
| BAPR-β | ०.४० | ०.१६ | ६० | ४० | ६४ | ||
| BAPR-γ | ०.४० | ०.१६ | 20 | ४० | ४० | ४४ | |
| BAPR-δ | ०.४० | ०.१६ | ६० | ४० | ३४ |
तालिका 1: आर enewable acrylate राल निर्मिती. प्रतिनिधि bioacrylate रेजिन के लक्षण, राल संरचना और आधारित कार्बन सामग्री का चित्रण.
चित्रा 1: अक्षय acrylate रेजिन के Rheological व्यवहार 3 डी मुद्रण से पहले । uncureed BAPR नमूनों के लिए कतरनी दर के एक समारोह के रूप में चिपचिपापन । चित्रा अनुमति के साथ अनुकूलित है (कॉपीराइट २०१८ अमेरिकी रासायनिक सोसायटी) । 12 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 2: एक stereolithography तंत्र द्वारा विभिन्न राल से गढ़े 3 डी उत्पादों के यांत्रिक प्रदर्शन. तन्य शक्ति (लाल) और ठीक BAPRs से उत्पादित भागों के जवान की मापांक (सियान). तन्य सलाखों (ISO 527-2-1BA) के निर्माण की दिशा में सामान्य मुद्रित किए गए थे. त्रुटि पट्टियां मानक विचलन का संकेत देती हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 3:3 डी उत्पादों के यांत्रिक प्रदर्शन पर पोस्ट-प्रिंटिंग उपचार के प्रभाव । उत्पादित भागों की तन्यता ताकत विभिन्न स्थितियों के तहत बाद इलाज किया । तन्य सलाखों (ISO 527-2-1BA) के निर्माण की दिशा में सामान्य मुद्रित किए गए थे. त्रुटि पट्टियां मानक विचलन का संकेत देती हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 4: एक stereolithography तंत्र द्वारा विभिन्न गैर-राल से गढ़े जटिल आकार के प्रोटोटाइप के दृश्य और सूक्ष्म प्रतिनिधित्व. (क) रूक टॉवर प्रोटोटाइप की तस्वीर BAPR के साथ मुद्रित-α (ऊपर) और इसी आंतरिक कुण्डली के SEM छवियों (नीचे) । (ख) रूक टॉवर प्रोटोटाइप की तस्वीर BAPR के साथ मुद्रित-β (ऊपर) और इसी आंतरिक कुण्डली के SEM छवियों (नीचे). (ग) रूक टॉवर प्रोटोटाइप की तस्वीर BAPR के साथ मुद्रित-γ (ऊपर) और इसी आंतरिक कुण्डली के SEM छवियों (नीचे) । (घ) रूक टॉवर प्रोटोटाइप की तस्वीर BAPR के साथ मुद्रित-δ (ऊपर) और इसी आंतरिक कुण्डली के SEM छवियों (नीचे) । चित्रा अनुमति के साथ अनुकूलित है (कॉपीराइट २०१८ अमेरिकन केमिकल सोसायटी)12। कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
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Discussion
Additive विनिर्माण दर्जी प्रोटोटाइप और छोटी श्रृंखला के निर्माण में लागू किया जाता है, जब भाग प्रति उच्च उत्पादन लागत पारंपरिक प्रक्रियाओं के साथ प्रतिस्पर्धा के बाद से वहां molds और उपकरणों के उत्पादन के लिए कोई ज़रूरत नहीं है सकते हैं । पिछले दशक में, सेवाओं और additive विनिर्माण से संबंधित उत्पादों से राजस्व तेजी से13हो गए हैं । सामग्री की बिक्री का सबसे बड़ा अंश photopolymers से है । विकास ध्यान आकर्षित किया और प्रमुख उद्योगों के निवेश शुरू की, जैसे, एयरोस्पेस, मोटर वाहन, चिकित्सा । इसलिए 3डी प्रिंटिंग के क्षेत्र में आगामी वर्षों में और विस्तार करने की उम्मीद है ।
हम एक stereolithographic 3 डी प्रिंटर पर अक्षय photopolymer रेजिन के साथ स्थाई उत्पादों की सटीक और मांग निर्माण के लिए एक कुशल विधि का प्रदर्शन किया है । मुख्य घटक के रूप में कम लागत वाले आधारित acrylates का उपयोग इन रेजिन संभावित लागत अपने वाणिज्यिक समकक्षों के संबंध में प्रतिस्पर्धी बनाता है । इसके अलावा, एक मानकीकृत SLA 3 डी मुद्रण प्रक्रिया में सफलतापूर्वक लागू किया गया था, इस प्रकार एक ही प्रक्रिया और सेटिंग्स का उपयोग कर के रूप में वाणिज्यिक रेजिन के लिए लागू । acrylate राल की चिपचिपाहट 3 डी मुद्रण प्रक्रिया में एक आवश्यक पैरामीटर है और oligomer अनुपात करने के लिए मोनोमर द्वारा नियंत्रित किया जाता है । आमतौर पर, १०० s-1 के एक कतरनी दर मुद्रण प्रक्रिया14,15में तरल राल के recoat के दौरान हासिल की है । इस क्षेत्र में, सभी राल 5 Pa · s (चित्रा 1) के नीचे एक चिपचिपापन है और stereolithographic मुद्रण उपकरण में आवेदन के लिए उपयुक्त हैं ।
लिथोग्राफी-आधारित additive विनिर्माण अपनी उत्कृष्ट सतह गुणवत्ता और FDM और चयनात्मक लेजर sintering (SLS)16,17की तुलना में परिशुद्धता के लिए मांयता प्राप्त है । यह स्पष्ट रूप से फोटो और सूक्ष्म जटिल आकार प्रोटोटाइप (चित्रा 4) का प्रतिनिधित्व छवियों द्वारा प्रदर्शन किया है । इसके विपरीत, उत्पादित भागों के यांत्रिक गुण SLA प्रक्रिया के लिए उपयुक्त सामग्री के सीमित विकल्प के कारण सीमित हैं18,19. सामांय शो भंगुरता और गरीब प्रभाव उच्च crosslink घनत्व और सजातीय नेटवर्क वास्तुकला के कारण प्रतिरोध में Acrylate प्रणालियों । नतीजतन, सामग्री अक्षय acrylate रेजिन से मुद्रित 3 डी 2-8 MPa (चित्रा 2), जो वाणिज्यिक उत्पादों की तुलना में कम है की एक परम शक्ति है12। फिर भी, उपचार के बाद के अनुकूलन, धोने, सुखाने, इलाज और इलाज के तापमान की अवधि अलग करके, यांत्रिक प्रदर्शन (चित्रा 3) में एक महत्वपूर्ण सुधार की ओर जाता है ।
सूक्ष्म विश्लेषण उच्च सुविधा का संकल्प और उच्च आवर्धन (चित्रा 4) के तहत उत्पादित प्रोटोटाइप के उत्कृष्ट सतह परिष्करण से पता चलता है । helices के दांतेदार ऊर्ध्वाधर किनारों परत से उत्पंन-दर-परत SLA मुद्रण प्रक्रिया है, जिसमें एक उजागर परत के ऊपर एक बड़ा यूवी एक परत8के पीछे की तुलना में खुराक प्राप्त करता है । गढ़े प्रोटोटाइप की सतह पर मनाया दरारें सिकुड़ने यूवी इलाज प्रक्रिया में विकसित बलों से परिणाम कर सकते हैं । acrylate प्रणालियों में सिकुड़न राल चिपचिपापन20,21से संबंधित व्युत्क्रम पाया जाता है । इसलिए, अधिक चिपचिपा photoresins (चित्रा 1) लागू करते समय खुर की हद (चित्रा 4) कम है.
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Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
इस अध्ययन परियोजना १४०४१३ के भाग के रूप में GreenPAC बहुलक आवेदन केंद्र द्वारा समर्थित किया गया था: "उत्पादन में 3 डी मुद्रण". वीडियो शूटिंग को सुगम बनाने के लिए हम अल्बर्ट Hartman, Corinne वान Noordenne, Rens वान Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, झर वान Dijken और अल्बर्ट Woortman को स्वीकारना चाहेंगे ।
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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