Summary
En protokol for tilsætningsstof fremstillingsindustrien med vedvarende photopolymer harpiks på et stereolithography apparat præsenteres.
Abstract
Tilgængelighed af omkostningseffektive vedvarende materialer og deres anvendelse i tilsætningsstof fremstillingsindustrien er afgørende for en effektiv biobaserede økonomi. Vi demonstrere rapid prototyping af bæredygtig harpikser ved hjælp af en stereolithographic 3D printer. Harpiks formulering finder sted ved enkel blanding af biobaserede acrylat monomerer og oligomerer med en photoinitiatior og optiske absorber. Harpiks viskositet styres af monomere oligomer forhold og bestemmes som funktion af shear rate af en rheometer med parallelle plade geometri. Et stereolithographic apparat anklaget biobaserede harpiks er ansat til at producere komplekse formet prototyper med stor nøjagtighed. Produkterne, der kræver en efterbehandling, herunder alkohol skylning og UV-bestråling, at sikre komplet hærdning. Høj feature opløsning og fremragende overfladebehandling af prototyperne er afsløret af scanning Elektron Mikroskopi.
Introduction
Rapid prototyping muliggør video-on-demand-produktion og design frihed og giver mulighed for effektiv fremstilling af 3D konstruktioner i et lag på lag måde1. Som et resultat, har 3D udskrivning som en fabrikation teknik udviklet sig hurtigt i de seneste år2. Forskellige teknologier er tilgængelige, alt afhængig af oversættelse af virtuelle modeller til fysiske objekter og anvende processer såsom ekstrudering, direkte energi deposition, pulver størkning, ark laminering og photopolymerization. Sidstnævnte indebærer trinvis UV hærdning af flydende photopolymer harpiks. I 1986 udviklet skrog og kollegaer stereolithography apparatur (SLA), en UV laser-baseret 3D printer. For nylig er en lignende proces, der kaldes digital light processing (DLP) blevet tilgængelig, i hvilken photopolymerization er indledt af en lys projektor. Sammen, er DLP og SLA benævnt stereolithography 3D udskrivning3.
SLA er anvendt i høj opløsning prototyping og opdigte biomedicinsk enheder4,5. Denne teknologi er overlegen i forhold til den udbredte sammenvoksede deposition modellering (FDM) med hensyn til nøjagtighed, overfladefærdigbehandling og resolution6. Afhængigt af arkitektur af produktet, er en støttestruktur integreret i 3D-modellen til at stabilisere konstruktionen under fabrikation. En post udskrivning behandling af fremstillede dele er Derudover kræves7,8. Typisk, trykte objekter er vasket i en alkohol bad til at opløse ureageret harpiks, og efterfølgende hærdning i ovn UV udføres for at sikre fuld konvertering af polymerisering9.
I almindelighed, stole harpiks til litografi-baserede additive manufacturing på photocurable systemer indeholdende multifunktionelle akrylater eller Epoxider10. Nuværende photopolymer harpiks på det kommercielle marked er fossile og dyre, mens tilgængeligheden af billig vedvarende harpiks er nødvendig for at lette spild-fri og lokale produktion af bæredygtige 3D produkter for et biobaseret økonomi1 , 6. for nylig photopolymer harpiks baseret på vedvarende akrylater blev udviklet og anvendt med succes i stereolithography 3D udskrivning11,12. I denne detaljerede protokollen vise vi rapid prototyping med biobaserede harpiks på en kommerciel stereolithography apparater. Der lægges særlig vægt til kritiske faser i proceduren, dvs., harpiks formulering og efter udskrivning behandlinger til at hjælpe nye udøvere inden for tilsætningsstof fremstillingsindustrien.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsigtig: Kontakt venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug.
1. forberedelse af Photocurable harpiks
Bemærk: Skal du bruge personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, laboratoriekittel) under den følgende procedure. Se vores tidligere arbejde12 for flere detaljer om dette afsnit.
- Hæld 50 g af 1,10-decanediol diacrylate (SA5201) i en 500 mL Erlenmeyer-kolbe.
- Der tilsættes 1,0 g diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxid (TPO) og 0,40 g af 2,5 -bis(5 -tert-butyl-benzoxazol-2-yl) thiophen (BBOT) til kolben.
- Udstyre kolben med en mekanisk omrører, og blandingen omrøres på 200 rpm i 5 min ved stuetemperatur for at opløse TPO og BBOT i acrylat monomer.
- Tilsættes 100 g af pentaerythritol tetraacrylate og 100 g af multifunktionelle epoxy acrylat (Se Tabel af materialer) til blandingen.
- Blandingen omrøres på 200 rpm i 30 min. ved 50 ° C til at sikre en homogen harpiks.
- Fjerne den mekaniske omrører og passe kolben med en prop. Kolben er pakket ind i aluminiumsfolie for at beskytte biobaserede acrylat photopolymer harpiks (BAPR) fra lys.
Bemærk: Protokollen kan pause her. - Dække bundplade af en rheometer med parallel-plade geometri med photoresin.
- Angiv afstanden mellem pladerne på 1 mm og dække rheometer med UV-resistent hætte.
- Måle harpiks viskositet ved stuetemperatur til shear priser fra 0,1 til 100 s-1; fx,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 udskrivning med biobaserede akrylater
Bemærk: Se vores tidligere arbejde12 for flere detaljer om dette afsnit.
- Tænd SLA 3D printer og vælg åben tilstand.
- Starte model forberedelse software på en computer. Vælg de ønskede udskriftsindstillinger: materiale (klar), version (V4) og lagtykkelse (50 µm).
- Åbn den digitale model af komplekse-formet prototype, en standard tessellation sprog (.stl) fil (Se Supplerende kodning fil) og vælge den placering og orientering på build-platformen. Sende udskriftsjob fra model forberedelse software til SLA 3D printer.
Bemærk: Afhængigt af arkitektur af produktet, en støttestruktur kan integreres i 3D-modellen til at stabilisere konstruktionen under fabrikation. I tilfælde af den komplekse-formet prototype vist her, er en støttestruktur ikke påkrævet, hvis udskrives normalt at opbygge retning. - Hæld 200 mL af biobaserede photoresin i en harpiks tank. Åbn den 3D printer og montere harpiks tank korrekt.
- Montere opbygge platform og lukke den 3D printer.
- Begynde på udskriftsjob.
- Tillad den 3D printer til at fabrikere komplekse formet prototyper. Undlad at åbne printeren, indtil jobbet er færdig.
Bemærk: Før du udskriver, Sørg for 3D-printer er jævnet med jorden. Demonstreret-protokollen bølgelængden for UV-laser er 405 nm. Udskrivningstiden for objektet er 2,5 h.
3. efterbehandling af 3D trykt objekter
Bemærk: Skal du bruge personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker) under den følgende procedure.
- Når jobbet er færdig, skal du åbne printeren. Fjerne bygge platform, med de producerede dele fastgjort, og luk printeren.
- Åbn vask station, fyldt med isopropylalkohol, og Indsæt den opbygge platform. Start procedure og skyl i 20 min. til at fjerne enhver ureageret harpiks.
- Når den føres installationsproceduren er færdig, fjerne bygge platform fra vask station og frigøre prototyper fra build-platformen.
- Tillad prototyper til luft tørre for 30 min. I mellemtiden, Forvarm UV ovn ved 60 ° C.
Bemærk: Forvarmning vil tage mindst 15 min. UV bølgelængden af ovnen er 405 nm, identisk med bølgelængden af SLA laser. - Åbn UV ovn og hurtigt sted prototyper på den roterende platform. Luk UV ovn og kur mod 60 min. ved 60 ° C for at sikre komplet konvertering.
- Når den efterfølgende hærdning installationsproceduren er færdig, åbne UV ovn og tegne prototyperne.
4. Karakteristik af overflade morfologi af komplekse-formet prototyper
Bemærk: Se vores tidligere arbejde12 for flere detaljer om dette afsnit.
- Skær ca. 1 cm af indre helix fra komplekse formet prototypen ved hjælp af et barberblad.
- Sæt prøven på prøveholderen med dobbelt sidet carbon ledende tape.
- Før imaging, pels prøve med 30 nm Pt/Pd (80: 20) på en spruttende system.
- Indsæt eksemplet i en scanning elektron mikroskop opererer med en accelererende spænding på 5 kV. Erhverve flere billeder af stikprøve på 30 X og 120 X forstørrelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fire repræsentative harpiks kompositioner vises i tabel 1, sammen med deres gennemsnitlige biobaserede kulstofindhold (f.kr.) stammer fra den enkelte f.kr af komponenter. Harpiks viskositet (figur 1) er påvirket af forholdet mellem acrylat monomerer og oligomerer og typisk viser newtonske adfærd. De mekaniske egenskaber af dele fremstillet af forskellige harpikser blev bestemt af stress-strain analyse. Figur 2 viser det repræsentative resultatet på en universal test maskine E-modulus-og trækstyrke. Effekten af den efter udskrivning behandling på produktets ydeevne er afbildet i figur 3. Glat overflade og høj feature opløsning af komplekse formet prototyper er afsløret af elektron mikroskop (figur 4). Omfanget af overflade revner er relateret til den oprindelige harpiks viskositet.
| Harpiks | OP. | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | F.KR. |
| % 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 |
Tabel 1: Rasmussen enewable akrylat harpiks formulering. Karakteristik af repræsentative bioacrylate harpikser, skildrer harpiks sammensætning og biobaserede kulstofindhold.
Figur 1: rheologiske opførsel af vedvarende akrylat harpiks før 3D-printning. Viskositet som en funktion af shear rate for uhærdet BAPR prøver. Figur er tilpasset med tilladelse (copyright 2018 American Chemical Society). 12 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: mekanisk ydeevne 3D produkter fremstillet af forskellige bioresins af et stereolithography apparat. Trækstyrke (rød) og Young's modulus (cyan) producerede dele fra hærdede BAPRs. De trækstyrke barer (ISO 527-2-1BA) blev trykt normalt at opbygge retning. Fejllinjer angiver standardafvigelsen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: indflydelse efter udskrivning behandling på mekanisk ydeevne 3D produkters. Trækstyrke på producerede dele post behandlet under forskellige betingelser. De trækstyrke barer (ISO 527-2-1BA) blev trykt normalt at opbygge retning. Fejllinjer angiver standardafvigelsen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: visuelle og mikroskopiske repræsentation af komplekse-formet prototyper fabrikeret fra forskellige bioresins af et stereolithography apparat. (A) foto af tårn tårn prototype trykt med BAPR-α (øverst) og SEM billeder af tilsvarende indre helix (nederst). (B) foto af tårn tårn prototype trykt med BAPR-β (øverst) og SEM billeder af tilsvarende indre helix (nederst). (C) foto af tårn tårn prototype trykt med BAPR-γ (øverst) og SEM billeder af tilsvarende indre helix (nederst). (D) foto af tårn tårn prototype trykt med BAPR-δ (øverst) og SEM billeder af tilsvarende indre helix (nederst). Figur er tilpasset med tilladelse (copyright 2018 American Chemical Society)12. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Additive manufacturing anvendes i fremstilling af skræddersyede prototyper og mindre serier, når de højere produktionsomkostninger pr. del kan konkurrere med konventionelle processer, da der er ikke behov for produktion af forme og værktøjer. I det sidste årti, er indtægter fra tjenesteydelser og produkter i relation til tilsætningsstof fremstillingsindustrien vokset eksponentielt13. Den største del af materielle salg er fra polymerer trykområdet. Væksten tiltrak opmærksomhed og indledt af storindustrien, fx luftfartsindustrien, bilindustrien, medicinsk investeringer. Inden for 3D-printning forventes derfor, at udvide yderligere i de kommende år.
Vi har demonstreret en effektiv metode for den præcise og on-demand fabrikation af bæredygtige produkter med vedvarende photopolymer harpiks på et stereolithographic 3D printer. Brugen af low-cost biobaserede akrylater som den vigtigste komponent gør disse harpikser potentielt omkostningseffektive med hensyn til deres kommercielle modstykker. Desuden var bioresin formuleringer anvendt med succes i en standardiseret SLA 3D udskrivning proces, hvorved ved hjælp af den samme procedure og indstillinger som anvendes for kommerciel harpiks. Viskositet af akrylat harpiks er en afgørende parameter i den 3D udskrivning proces og er kontrolleret af monomere oligomer forhold. Typisk opnås en shear rate af 100 s-1 under recoat af flydende harpiks i udskrivning proces14,15. I denne region, alle bioresins har en viskositet under 5 Pa·s (figur 1) og er egnet til anvendelse i stereolithographic trykkemidler.
Litografi-baserede tilsætningsstof fremstillingsindustrien er anerkendt for sin fremragende overfladekvalitet og præcision i forhold til FDM og selektiv laser sintring (SLS)16,17. Det fremgår klart af de fotografiske og mikroskopiske billeder der repræsenterer komplekset formet prototyper (figur 4). Tværtimod, er de mekaniske egenskaber af producerede dele begrænset på grund af det begrænsede valget af materialer egnet til SLA proces18,19. Acrylat systemer generelt vise sprødhed og fattige slagfasthed på grund af høje bitmapgenkendelse tæthed og inhomogene netværksarkitektur. Derfor, de materialer 3D udskrives fra de vedvarende akrylat harpiks har en ultimative styrke 2-8 MPa (figur 2), som er lavere i forhold til kommercielle produkter12. Ikke desto mindre, optimering af efterbehandling af varierende varighed af vask, tørring, hærdning og temperatur af hærdning, fører til en betydelig forbedring i mekanisk ydeevne (figur 3).
Mikroskopisk analyse afslører høj feature opløsning og fremragende overfladebehandling af de fremstillede prototyper under høj forstørrelse (figur 4). De savtakkede lodrette kanter af helices opstår fra lag-på-lag SLA print proces, hvor toppen af en udsat lag modtager en større UV dosis i forhold til bagsiden af et lag8. Revner observeret på overfladen af de fabrikerede prototyper kan skyldes svind kræfter udviklet i UV hærdende proces. Svind i acrylat systemer er fundet at være omvendt relateret til harpiks viskositet20,21. Dermed reduceres omfanget af revner (figur 4) ved anvendelsen af mere tyktflydende photoresins (figur 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev støttet af GreenPAC Polymer ansøgningscenter som led i projekt 140413: "3D udskrivning i produktion". Vi vil gerne anerkende Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken og Albert Woortman for at lette den video optagelse.
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).
