Summary
Um protocolo para a fabricação de aditivo com resinas renováveis fotopolímero em um equipamento de estereolitografia é apresentado.
Abstract
A acessibilidade de materiais renováveis custo-do competidor e sua aplicação na fabricação de aditiva é essencial para uma economia eficiente recicladas. Demonstramos a prototipagem rápida de resinas sustentáveis, usando uma impressora 3D stereolithographic. Formulação da resina ocorre pela simples mistura de biobased acrilato monômeros e oligômeros com um photoinitiatior e absorvente de óptico. Viscosidade da resina é controlada pelo monômero relação oligómero e é determinada em função da taxa de cisalhamento por um rheometer com geometria placa paralela. Um aparelho de stereolithographic cobrado com as resinas recicladas é empregado para produzir protótipos de forma complexos com alta precisão. Os produtos requerem um pós-tratamento, incluindo o álcool enxaguando e irradiação UV, para assegurar a cura completa. A característica de alta resolução e excelente superfície de acabamento dos protótipos é revelado por microscopia eletrônica.
Introduction
Prototipagem rápida permite liberdade de design e produção por demanda e permite que a fabricação eficiente de 3D constrói-se em uma forma de camada por camada1. Como resultado, a impressão 3D como uma técnica de fabricação desenvolveu rapidamente em anos recentes2. Várias tecnologias estão disponíveis, todos contando com a tradução de modelos virtuais em objetos físicos e aplicação de processos, tais como extrusão, deposição de energia direta, solidificação de pó, laminação de folha e fotopolimerização. Este último envolve gradual de cura UV de resinas de fotopolímero líquido. Em 1986, casco e cooperadores desenvolveram o aparelho estereolitografia (SLA), uma impressora 3D baseados em laser UV. Mais recentemente, um processo similar chamado digital light processing (DLP) tornou-se disponível, no qual fotopolimerização é iniciada por um projetor. Juntos, DLP e SLA são referidos como estereolitografia 3D impressão3.
SLA é aplicado em prototipagem de alta resolução e fabricação de dispositivos biomédicos4,5. Esta tecnologia é superior à deposição fundida amplamente utilizado (FDM) de modelagem em termos de precisão, acabamento de superfície e resolução6. Dependendo da arquitetura do produto, uma estrutura de apoio é integrada no modelo 3D para estabilizar a construção durante a fabricação. Além disso, um tratamento pós-impressão de peças fabricadas é necessário7,8. Normalmente, objetos impressos são lavados em um banho de álcool para dissolver a resina não tenha reagida, e posterior cura em um forno UV é executada para garantir a conversão completa da polimerização9.
Em geral, resinas para fabricação de aditiva baseados em litografia dependem photocurable sistemas contendo multifuncional acrilatos ou epóxidos10. Resinas de fotopolímero atual no mercado comercial são baseados em fósseis e caro, enquanto a disponibilidade de resinas renováveis de baixo custo é necessária para facilitar a fabricação local e livre de resíduos de produtos sustentáveis de 3D para uma economia de biobased1 , 6. recentemente, resinas de fotopolímero, com base em renováveis acrilatos foram desenvolvidas e aplicadas com sucesso em estereolitografia 3D impressão11,12. Neste protocolo detalhado, demonstramos a prototipagem rápida com resinas recicladas em um equipamento de estereolitografia comercial. É dada especial atenção à críticas etapas no procedimento, ou seja, tratamentos pós-impressão e formulação resina, para ajudar novos actores no domínio da fabricação aditiva.
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Protocol
Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança (MSDS) antes do uso.
1. preparação da resina Photocurable
Nota: Por favor, use equipamento protetor pessoal (óculos de segurança, luvas, avental, etc.) durante o procedimento a seguir. Consulte nosso trabalho anterior12 para mais detalhes sobre esta seção.
- Coloque 50 g de 1,10-decanediol diacrylate (SA5201) em um Erlenmeyer de 500 mL.
- Adicionar 1,0 g de diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) óxido de fosfina (TPO) e 0,40 g de 2,5 -bis(5 -tert-butil-benzoxazol-2-yl) tiofeno (BBOT) ao balão.
- Equipar o balão com um agitador mecânico e agitar a mistura a 200 rpm por 5 min à temperatura ambiente, a fim de dissolver o TPO e BBOT No monómero de acrilato.
- Adicionar 100 g de triacrilato de pentaeritritol e 100 g de acrilato de epóxi multifuncional (ver Tabela de materiais) para a mistura.
- Agite a mistura a 200 rpm por 30 min a 50 ° C, para garantir uma resina homogênea.
- Retire o agitador mecânico e caber o frasco com uma rolha. O frasco é envolto em folha de alumínio para proteger a resina de fotopolímero biobased acrilato (BAPR) da luz.
Nota: O protocolo pode ser pausado aqui. - Cobrir a placa inferior de um rheometer com geometria paralelo-placa com o photoresin.
- Ajustar a distância entre as placas de 1 mm e cobrir o rheometer com uma capa resistente a UV.
- Medir a viscosidade da resina à temperatura ambiente em taxas de cisalhamento de 0,1 a 100 s-1; por exemplo,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 e 100 s-1.
2. Stereolithographic impressão 3D com Biobased Acrylates
Nota: Consulte nosso trabalho anterior12 para mais detalhes sobre esta seção.
- Ligue a impressora 3D de SLA e selecione o modo de abertura.
- Inicie o software de preparação de modelo em um computador. Escolha configurações de impressão desejado: material (Clear), versão (V4) e espessura de camada (50 µm).
- Abra o modelo digital do complexo em forma de protótipo, um arquivo de idioma (. STL) padrão de mosaico (consulte o Arquivo de codificação suplementar) e escolha a localização e a orientação sobre a plataforma de compilação. Carregar o trabalho de impressão a partir do software de elaboração de modelo para a impressora 3D de SLA.
Nota: Dependendo da arquitetura do produto, uma estrutura de apoio pode ser integrada no modelo 3D para estabilizar a construção durante a fabricação. No caso do complexo em forma de protótipo demonstrado aqui, uma estrutura de apoio não é necessária se impresso normal à direção de compilação. - 200 mL de photoresin a biobased despeje um tanque de resina. Abra a impressora 3D e montar o tanque de resina corretamente.
- Montar a plataforma de compilação e feche a impressora 3D.
- Inicie o trabalho de impressão.
- Permitir que a impressora 3D fabricar protótipos de forma complexos. Não abra a impressora até que o trabalho de impressão é concluído.
Nota: Antes de imprimir, certifique-se que a impressora 3D é nivelada. Para o protocolo demonstrado, o comprimento de onda do laser UV é a 405 nm. O momento da impressão do objeto é 2,5 h.
3. pós-tratamento de 3D impresso objetos
Nota: Use equipamento de proteção pessoal (óculos de segurança, luvas) durante o procedimento a seguir.
- Quando o trabalho de impressão for concluído, abra a impressora. Retire a plataforma de compilação, com as peças produzidas anexadas e feche a impressora.
- Abra a estação de lavagem, preenchida com álcool isopropílico e inserir a plataforma de compilação. Inicie o procedimento e enxaguar por 20 min remover qualquer resina não tenha reagida.
- Quando for concluído o procedimento de lavagem, remover a plataforma de compilação da estação de lavagem e separe os protótipos da plataforma de compilação.
- Os protótipos para o ar deixe secar por 30 min. Entretanto, pré-aquecer o forno UV a 60 ° C.
Nota: O pré-aquecimento levará pelo menos 15 min. O comprimento de onda UV do forno é de 405 nm, idêntico ao comprimento de onda do laser SLA. - Abrir o forno UV e rapidamente Coloque os protótipos na plataforma rotativa. Feche o forno UV e cura para 60 min a 60 ° C para assegurar a conversão completa.
- Quando terminar o procedimento pós-curando, abra o forno UV e tirar os protótipos.
4. Caracterização da morfologia superficial de protótipos em forma de complexo
Nota: Consulte nosso trabalho anterior12 para mais detalhes sobre esta seção.
- Corte ca. 1 cm da hélice interna do protótipo de forma complexo, usando uma lâmina de barbear.
- Anexe a amostra para o porta-amostras com condutor fita dupla face de carbono.
- Antes da imagem latente, revestir a amostra com 30 nm Pt/Pd (80: 20) em um sistema de pulverização catódica.
- Inserir a amostra em um microscópio eletrônico de varredura operando a uma tensão de aceleração de 5 kV. Adquira várias imagens da amostra em 30 X e ampliação de X 120.
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Representative Results
Quatro composições representativas da resina são exibidas na tabela 1, juntamente com seu conteúdo de carbono médio biobased (BC) derivado do BC individual dos componentes. A viscosidade da resina (Figura 1) é influenciada pela relação de acrilato monômeros e oligômeros e normalmente demonstra comportamento Newtoniano. As propriedades mecânicas de peças fabricadas a partir de várias resinas foram determinadas pela análise de tensão-deformação. Figura 2 exibe o resultado representativo em uma máquina de teste universal em termos de elasticidade e resistência à tração. O efeito do tratamento pós-impressão sobre o desempenho do produto é retratado na Figura 3. A resolução de característica elevada e superfície lisa do complexo em forma de protótipos é revelada pelo microscópio de elétron (Figura 4). A extensão da superfície fissuração está relacionada com a viscosidade da resina inicial.
| Resina | TPO | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | A.C. |
| % 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 |
Tabela 1: R formulação de resina de acrilato de enewable. Características das resinas bioacrylate representativo, representando o conteúdo de carbono de composição e recicladas de resina.
Figura 1: comportamento reológico de resinas de acrilato renováveis antes da impressão 3D. Viscosidade em função da taxa de cisalhamento para amostras BAPR não polimerizadas. A figura é adaptada com permissão (copyright 2018 American Chemical Society). 12 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: desempenho mecânico 3D produtos fabricados a partir de vários bioresins por um aparato de estereolitografia. Resistência à tração (vermelha) e o módulo de Young (ciano) das peças produzidas de BAPRs curados. As barras de tração (ISO 527-2-1BA) foram impressos normal à direção de compilação. Barras de erro indicam o desvio padrão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: influência da pós-impressão tratamento do comportamento mecânico dos produtos 3D. Resistência à tração das peças produzidas pós tratados sob diferentes condições. As barras de tração (ISO 527-2-1BA) foram impressos normal à direção de compilação. Barras de erro indicam o desvio padrão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: representação Visual e microscópica do complexo em forma de protótipos fabricados a partir de vários bioresins por um aparato de estereolitografia. (A) foto do protótipo de torre torre impresso com BAPR-α (topo) e SEM imagens da hélice interna correspondente (parte inferior). (B) foto de protótipo de torre torre com BAPR-β (topo) e SEM imagens impressas da hélice interna correspondente (parte inferior). (C) foto do protótipo de torre torre com BAPR-γ (topo) e SEM imagens impressas da hélice interna correspondente (parte inferior). (D) foto do protótipo de torre torre com BAPR-δ (topo) e SEM imagens impressas da hélice interna correspondente (parte inferior). A figura é adaptada com permissão (copyright 2018 American Chemical Society)12. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Fabricação de aditiva é aplicada na fabricação de Tailor-Made protótipos e pequenas séries, quando os custos de produção mais elevados por parte podem competir com processos convencionais, desde que não há nenhuma necessidade para a produção de moldes e ferramentas. Na última década, as receitas de serviços e produtos relacionados à fabricação de aditiva tem crescido exponencialmente,13. A maior fração de vendas de material é de fotopolímeros. O crescimento atraiu atenção e iniciou os investimentos de grandes indústrias, por exemplo, aeroespacial, automotivo, médico. Portanto, o campo de impressão em 3D é esperado para expandir ainda mais nos próximos anos.
Temos demonstrado um método eficiente para a fabricação de preciso e on-demand de produtos sustentáveis com resinas renováveis fotopolímero em uma impressora 3D stereolithographic. O uso de acrilatos biobased de baixo custo como o componente principal faz com que estas resinas potencialmente custo-do competidor com respeito a suas contrapartes comerciais. Além disso, as formulações bioresin foram aplicadas com êxito em um 3D de SLA padronizada, processo de impressão, assim, usando o mesmo procedimento e configurações aplicáveis de resinas comerciais. A viscosidade da resina de acrilato é um parâmetro essencial no processo de impressão 3D e é controlada pelo monômero relação oligómero. Normalmente, uma taxa de cisalhamento de 100 s-1 é alcançada durante a repintura de resina líquida da impressão processo14,15. Nesta região, todos os bioresins têm uma viscosidade abaixo 5 Pa · s (Figura 1) e são apropriados para aplicação em equipamentos de impressão stereolithographic.
Fabricação de aditiva baseados em litografia é reconhecida pela sua excelente qualidade superficial e precisão em comparação com FDM e (SLS)16,17de sinterização seletiva a laser. Isto é claramente demonstrado pelas imagens fotográficas e microscópicas que representa o complexo em forma de protótipos (Figura 4). Ao contrário, as propriedades mecânicas das peças produzidas são limitadas devido à limitada escolha de materiais adequados para o processo de SLA18,19. Em geral, sistemas de acrilato mostram fragilidade e resistência de impacto pobre devido à ligação cruzada de alta densidade e arquitetura de rede não-homogênea. Consequentemente, os materiais 3D impresso a partir das resinas de acrilato renováveis têm uma força final de 2-8 MPa (Figura 2), que é menor em comparação com produtos comerciais12. Não obstante, otimização do pós-tratamento, variando a duração da lavagem, secagem, cura e temperatura de cura, leva a uma melhora significativa no desempenho mecânico (Figura 3).
A análise microscópica revela a característica de alta resolução e excelente superfície de acabamento dos protótipos produzidos sob a ampliação elevada (Figura 4). As bordas serrilhadas verticais das hélices formando surgem a partir do processo de impressão SLA camada por camada, em que o topo de uma camada exposta recebe uma dose maior de UV em comparação com a parte de trás de uma camada8. As fissuras observadas na superfície dos protótipos fabricados podem resultar de forças de encolhimento desenvolvidas no processo de cura UV. Encolhimento em sistemas de acrilato é encontrado para ser inversamente relacionadas com a resina viscosidade20,21. Portanto, a extensão das rachaduras (Figura 4) é reduzida ao aplicar photoresins mais viscoso (Figura 1).
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Este estudo foi suportado por centro de aplicação de polímero de GreenPAC como parte do projeto 140413: "impressão 3D na produção". Nós gostaríamos de reconhecer Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken e Albert Woortman para facilitar as filmagens de vídeo.
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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