Summary
En protokoll for additiv produksjon med fornybar photopolymer harpiks på et stereolitografi apparat vises.
Abstract
Tilgjengelighet av pris konkurransedyktig fornybare materialer og deres anvendelse i additiv produksjon er avgjørende for en effektiv biobaserte økonomi. Viser vi den rask prototyping bærekraftig bindemidler stereolithographic 3D skriveren. Harpiks formulering foregår ved enkel blanding av biobaserte acrylate monomerer og oligomers med photoinitiatior og optisk absorber. Harpiks viskositet styres av monomer oligomer forhold og bestemmes som en funksjon av skjær av en rheometer med parallell plate geometri. En stereolithographic apparater med biobaserte harpiks er ansatt å produsere komplekse formet prototyper med høy nøyaktighet. Produkter krever en etter behandling, inkludert alkohol skylling og UV bestråling, å sikre fullstendig herding. Funksjonen for høy oppløsning og utmerket overflate etterbehandling av prototyper avsløres av skanning elektronmikroskop.
Introduction
Rapid prototyping gjør behovsbetinget produksjon og design frihet og gir effektiv produksjon av 3D-konstruksjoner i lag-på-lag måte1. Resultatet har 3D-utskrift som en fabrikasjon teknikk utviklet raskt i årene2. Ulike teknologier er tilgjengelig, alle stole på oversettelsen av virtuelle modellene til fysiske gjenstander og bruke prosesser som ekstrudering, direkte energi deponering, pulver størkning, ark laminering og photopolymerization. Sistnevnte innebærer gradvis UV herding av flytende photopolymer harpiks. I 1986 utviklet Hull og kolleger stereolitografi apparatet (SLA), en UV laser-basert 3D-skriver. Flere nylig, en lignende prosess kalt digital light processing (DLP) blitt i photopolymerization som startes av en lys projektor. Sammen er DLP og SLA referert til som stereolitografi 3D utskrift3.
SERVICENIVÅAVTALEN brukes i høy oppløsning prototyping og fabrikasjon av biomedisinsk enheter4,5. Denne teknologien er overordnet brukte smeltet avsetning modellering (FDM) i form av nøyaktighet, overflatebehandling og oppløsning6. Avhengig av arkitekturen av produktet, er en støttestruktur integrert i 3D-modellen å stabilisere Konstruer under fabrikasjon. Videre er etter utskrift behandling av produsert deler nødvendig7,8. Vanligvis trykt objekter er vasket i en alkohol bad å oppløse Ureagert harpiks, og påfølgende herding i UV ovn utføres for å sikre full konvertering av polymerisasjon9.
Generelt, harpikser litografi-baserte additiv produksjon er avhengige av photocurable systemer multifunksjonelle acrylates eller epoksider10. Gjeldende photopolymer harpiks på det kommersielle markedet er fossilt-basert og dyrt, mens tilgjengeligheten av rimelig fornybar harpiks er nødvendig for å lette sløseri uten og lokale foredling av bærekraftig 3D for en biobaserte økonomien1 , 6. nylig photopolymer harpiks basert på fornybar acrylates ble utviklet og brukt i stereolitografi 3D utskrift11,12. Denne detaljerte protokollen viser vi den rask prototyping med biobaserte harpiks på en kommersiell stereolitografi apparater. Spesiell oppmerksomhet er betalt til kritisk trinn i prosedyren, dvs. harpiks formulering og etter utskrift behandlinger hjelpe nye utøvere innen additiv produksjon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
FORSIKTIG: Se alle relevante sikkerhetsdatablader (MSDS) før bruk.
1. forberedelse av Photocurable harpiks
Merk: Bruk personlig verneutstyr (laboratoriefrakk, hansker, vernebriller) under følgende fremgangsmåte. Se vår tidligere arbeid12 for mer informasjon om denne delen.
- Hell 50 g av 1,10-decanediol diacrylate (SA5201) i en 500 mL Erlenmeyer kolbe.
- Legge til 1,0 g diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oksid (TPO) og 0.40 g 2,5-bis(5 -tert-butyl-benzoxazol-2-yl) tiofen (BBOT) til kolbe.
- Utstyre flasken med en mekanisk rørestang og rør blandingen på 200 rpm i 5 minutter ved romtemperatur for å oppløse TPO og BBOT i acrylate monomer.
- Legge 100 g av pentaerythritol tetraacrylate og 100 g av multifunksjonelle epoxy akryl (se Tabell of Materials) til blanding.
- Rør blandingen på 200 rpm i 30 min ved 50 ° C å sikre en homogen harpiks.
- Fjern den mekaniske rørestang og passer flasken en propp. Flasken er innpakket i aluminiumsfolie å beskytte biobaserte acrylate photopolymer harpiks (BAPR) fra lys.
Merk: Protokollen kan pauses her. - Dekk bunnplaten av en rheometer med parallell-plate geometri med photoresin.
- Angir avstanden mellom platene på 1 mm og dekker rheometer med UV bestandig hette.
- Måle harpiks viskositet ved romtemperatur ved skjæring priser fra 0,1 til 100 s-1; f.eks,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, og 100 s-1.
2. Stereolithographic 3D utskrift med biobaserte Acrylates
Merk: Se vår tidligere arbeid12 for mer informasjon på denne delen.
- Slå på SLA 3D skriveren, og velg Åpne.
- Start modell forberedelse programvare på en datamaskin. Velg ønsket utskriftsinnstillinger: materiale (Fjern), versjon (V4) og lagtykkelse (50 µm).
- Åpne digital modell av komplekse-formet prototypen, en standard flislegging-språkfil (.stl) (se Ekstra koding fil) og velger og dreie på bygge-plattformen. Sende utskriftsjobben fra modellen forberedelse programvare SLA 3D-skriver.
Merk: Avhengig av arkitekturen av produktet, en støttestruktur kan integreres i 3D-modellen å stabilisere Konstruer under fabrikasjon. I komplekset-formet prototypen demonstrert her, er en støttestruktur ikke nødvendig hvis skrives ut normalt å bygge retning. - Hell 200 mL biobaserte photoresin i en harpiksen tanken. Åpne 3D-skriver og montere harpiksen tanken riktig.
- Montere bygge plattformen og Lukk 3D.
- Starte utskriftsjobben.
- Tillate 3D skriveren å dikte komplekse formet prototyper. Ikke åpne skriveren til utskriftsjobben er fullført.
Merk: Før du skriver ut Kontroller at 3D-skriver er jevnet. For demonstrert protokollen, Bølgelengden av UV laser er 405 nm. Utskriftstid for objektet er 2,5 t.
3. etter behandling av 3D trykt objekter
Merk: Bruk personlig verneutstyr (vernebriller, hansker) under følgende fremgangsmåte.
- Når utskriftsjobben er ferdig, åpne skriveren. Fjern bygge plattformen, med produsert deler knyttet, og lukk skriverdekselet.
- Åpne vask stasjonen, fylt med isopropyl alkohol, og sett inn bygge plattformen. Start prosedyre og skyll for 20 min å fjerne noen Ureagert harpiks.
- Når skyllingsprosess prosedyren er ferdig, Fjern bygge plattformen fra vask stasjonen og koble prototyper fra bygge plattformen.
- Tillate prototyper til luft tørr i 30 min. I mellomtiden, varm UV ovnen på 60 ° C.
Merk: Forvarming vil ta minst 15 min. UV Bølgelengden av ovnen er 405 nm, identisk Bølgelengden av SLA laser. - Åpne UV ovnen og raskt plassere prototyper på roterende plattform. Lukk UV ovnen og kur for 60 minutter til 60 ° C å sikre komplett konvertering.
- Når etter herding prosedyren er ferdig, åpne UV ovnen og ta ut prototyper.
4. karakterisering av overflaten morfologi av komplekse-formet prototyper
Merk: Se vår tidligere arbeid12 for mer informasjon på denne delen.
- Kuttet ca. 1 cm av interne helix fra komplekse formet prototypen med et barberblad.
- Fest prøven utvalget holderen med dobbel sided karbon ledende tapen.
- Før bildebehandling, pels prøven med 30 nm Pt/Pd (80:20) på et sputtering system.
- Prøven inn en scanning elektron mikroskop opererer på en akselererende spenning 5 kV. Erverve flere bilder av prøven på 30 X og 120 X forstørrelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fire representant harpiks komposisjoner vises i tabell 1, sammen med deres gjennomsnittlige biobaserte karbon innhold (F.Kr.) fra personlige BC komponenter. Harpiks viskositet (figur 1) er påvirket av forholdet acrylate monomerer og oligomers og vanligvis viser newtonsk atferd. De mekaniske egenskapene av deler laget av ulike harpikser ble fastsatt av stress-belastning analyse. Figur 2 viser representant resultatet på en universell prøvingen apparat E-modulus og strekkfasthet. Effekten av etter utskrift behandling ytelsen i produktet er avbildet i Figur 3. Glatt overflate og høy funksjonen oppløsningen av kompleks formet prototyper avsløres av elektronmikroskop (Figur 4). Omfanget av overflaten sprengning er knyttet til opprinnelige harpiks viskositet.
| Harpiks | OPP. | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | BC |
| % 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-SES | 0.40 | 0,16 | 60 | 40 | 34 |
Tabell 1: R enewable acrylate harpiks formulering. Kjennetegner representant bioacrylate harpikser, viser harpiks komposisjon og biobaserte karboninnhold.
Figur 1: reologiske oppførsel av fornybar acrylate harpikser før 3D utskrift. Viskositet som en funksjon av skjær for uherdet BAPR prøver. Figuren er tilpasset med tillatelse (copyright 2018 American Chemical Society). 12 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: mekanisk ytelse 3D produkter fabrikkert fra forskjellige bioresins av en stereolitografi apparater. Strekkfasthet (rød) og Youngs modul (cyan) produsert deler fra herdet BAPRs. Strekk barer (ISO 527-2-1BA) ble trykt normalt å bygge retning. Feilfelt viser standardavviket. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: påvirkning av etter utskrift behandling på mekanisk ytelse 3D produkter. Strekkfasthet produsert deler etter behandlet under ulike forhold. Strekk barer (ISO 527-2-1BA) ble trykt normalt å bygge retning. Feilfelt viser standardavviket. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: visuell og mikroskopiske representasjon av komplekse-formet prototyper fabrikkert fra forskjellige bioresins av en stereolitografi apparater. (A) bilde av tårnet tårnet prototype trykt med BAPR-α (øverst) og SEM bilder av tilsvarende interne helix (nederst). (B) bilde av tårnet tårnet prototype trykt med BAPR-β (øverst) og SEM bilder av tilsvarende interne helix (nederst). (C) bilde av tårnet tårnet prototype trykt med BAPR-γ (øverst) og SEM bilder av tilsvarende interne helix (nederst). (D) bilde av tårnet tårnet prototype trykt med BAPR-ses (øverst) og SEM bilder av tilsvarende interne helix (nederst). Figuren er tilpasset med tillatelse (copyright 2018 American Chemical Society)12. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Additive industrien brukes i produksjon av skreddersydde prototyper og små serier, når høyere produksjonskostnader per del kan konkurrere med konvensjonelle prosesser siden det er ikke nødvendig for produksjon av muggsopp og verktøy. I det siste tiåret, har inntektene fra tjenester og produkter relatert til additive industrien vokst eksponentielt13. Den største fraksjon av materielle salg er photopolymers. Veksten tiltrakk oppmerksomhet og innviet investeringene av store industrier, f.eks fly, bil, medisinsk. Derfor er feltet i 3D-utskrift ventet å utvide ytterligere i de kommende år.
Vi har vist en effektiv metode for nøyaktig og behovsbetinget fabrikasjon av bærekraftige produkter med fornybar photopolymer harpiks på et stereolithographic 3D-skriver. Bruk av lavkost biobaserte acrylates som den viktigste komponenten gjør disse harpikser potensielt pris konkurransedyktig med hensyn til deres kommersielle kolleger. Videre bioresin formuleringer ble tatt i bruk i et standardisert SLA 3D utskrift prosessen, og dermed bruke samme prosedyre og innstillingene som brukes for kommersielle harpiks. Viskositet av acrylate harpiks er en viktig parameter i 3D utskriftsprosessen og styres av monomer oligomer forhold. Vanligvis oppnås en skjær hastighet på 100 s-1 under recoat av flytende harpiks i utskrift prosessen14,15. I denne regionen, alle bioresins har en viskositet under 5 Pa·s (figur 1) og passer for programmet i stereolithographic trykkeriets utstyr.
Litografi-baserte additiv produksjon er anerkjent for sin utmerkede overflaten kvalitet og presisjon i forhold til FDM og selektiv laser sintring (SLS)16,17. Dette er tydelig demonstrert av fotografiske og mikroskopiske bildene representerer komplekset formet prototyper (Figur 4). Det motsatte, er den mekaniske egenskaper produsert deler begrenset på grunn av begrenset valget av materialer som er egnet for SLA prosessen18,19. Acrylate systemer generelt viser skjørhet og dårlig slagfasthet høy krysskobling tetthet og ikke-homogen nettverksarkitektur. Dermed materialet 3D skrevet ut fra de fornybare acrylate harpikser har en endelig styrke 2-8 MPA (figur 2), som er lavere i forhold til kommersielle produkter12. Likevel fører optimalisering av etter behandlingen av varierende varigheten av vasking, tørking, herding og temperatur herding, til en betydelig forbedring i mekanisk ytelse (Figur 3).
Mikroskopisk analyse avslører funksjonen for høy oppløsning og utmerket overflate etterbehandling av produsert prototyper under forstørring (Figur 4). Taggete vertikale kantene av helikser oppstå fra lag-på-lag SLA trykking, der toppen av et synlig lag får en større UV dose forhold til baksiden av et lag8. Sprekker observert på overflaten av fabrikkerte prototyper skyldes krymping styrker utviklet i UV herding prosessen. Krymping i acrylate systemer er funnet å være omvendt relatert harpiks viskositet20,21. Dermed reduseres omfanget av sprekker (Figur 4) når du bruker mer tyktflytende photoresins (figur 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Denne studien ble støttet av GreenPAC Polymer programmet Centre som en del av Project 140413: "3D utskrift i produksjon". Vi ønsker å erkjenne Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken og Albert Woortman for å tilrettelegge video skyting.
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).
