Summary
Een protocol voor additieve productie met hernieuwbare fotopolymeer harsen op een stereolithography-apparaat wordt gepresenteerd.
Abstract
De toegankelijkheid van kosten concurrerende hernieuwbare materialen en hun toepassing in additive manufacturing is essentieel voor een efficiënte biogebaseerde economie. We tonen de rapid prototyping van duurzame harsen met behulp van een 3D-printer van stereolithographic. Hars formulering vindt plaats door het eenvoudig mengen van biobased acrylaat monomeren en oligomeren met een photoinitiatior en optische absorber. Hars viscositeit wordt gecontroleerd door het monomeer, oligomeer verhouding en als een functie van shear rate wordt bepaald door een rheometer met parallelle plaat geometrie. Een stereolithographic apparaat belast met de biobased harsen wordt gebruikt voor de productie van complexe gevormde prototypes met hoge nauwkeurigheid. De producten vereisen een nabehandeling, met inbegrip van alcohol spoelen en UV-bestraling, om ervoor te zorgen volledige genezing. De functie van de hoge resolutie en uitstekende oppervlakte afwerking van de prototypes is geopenbaard door scanning elektronen microscopie.
Introduction
Snelle prototypering kunt op afroep productie en ontwerp vrijheid en kunt dat de efficiënte productie van 3D bouwt in een laag-voor-laag manier1. Dientengevolge, 3D printen als een fabricage techniek heeft zich snel ontwikkeld in de afgelopen jaren2. Verschillende technologieën zijn beschikbaar, allemaal afhankelijk van de vertaling van virtuele modellen in fysieke voorwerpen en het toepassen van processen zoals extrusie, direct-energy depositie, poeder stollen, blad lamineren en photopolymerization. Deze betrekking heeft op stapsgewijze UV-uithardende van vloeibare fotopolymeer harsen. In 1986 ontwikkelde romp en collega's de stereolithography apparaten (SLA), een UV laser gebaseerde 3D-printer. Meer recentelijk, een soortgelijk proces genaamd digital light processing (DLP) beschikbaar zijn gekomen, in welke photopolymerization wordt geïnitieerd door een lichte projector. Samen, worden DLP- en SLA aangeduid als stereolithography 3D printen3.
SLA wordt toegepast in hoge resolutie prototyping en fabricage van biomedische apparaten4,5. Deze technologie is superieur aan de gebruikte gesmolten deposition modeling (FDM) in termen van nauwkeurigheid, oppervlak afwerking en resolutie6. Afhankelijk van de architectuur van het product, is een ondersteunende structuur geïntegreerd in het 3D-model te stabiliseren van de constructie tijdens de fabricage. Een post afdrukken behandeling van vervaardigde onderdelen is bovendien vereist7,8. Meestal afgedrukte objecten worden gewassen in een alcohol Bad te ontbinden spoorverontreiniging hars, en latere geneeskunst in UV oven is uitgevoerd om het garanderen van volledige conversie van de polymerisatie-9.
Harsen voor litho gebaseerde additieve productie is in het algemeen, afhankelijk van photocurable systemen met multifunctionele acrylaten of epoxiden10. Huidige fotopolymeer harsen op de commerciële markt zijn op basis van fossiele en duur, terwijl de beschikbaarheid van goedkope hernieuwbare harsen is nodig om een afvalvrije en lokale productie van duurzame 3D producten voor een biobased economie1 , 6. onlangs, fotopolymeer harsen op basis van hernieuwbare acrylaten werden ontwikkeld en met succes toegepast in stereolithography 3D-afdrukken11,12. In dit gedetailleerde protocol tonen we de snelle prototyping met biobased harsen op een commerciële stereolithography-apparaat. Speciale aandacht is besteed aan kritische stappen in de procedure, dat wil zeggen, hars formulering en na afdrukken behandelingen, om te helpen nieuwe vaklieden op het gebied van additieve productie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Let op: Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen (MSDS) vóór gebruik.
1. bereiding van Photocurable hars
Opmerking: Gebruik persoonlijke beschermingsmiddelen (handschoenen, veiligheidsbril, laboratoriumjas) tijdens de volgende procedure. Zie onze eerdere werk12 voor meer details over deze sectie.
- Giet 50 g van 1,10-decanediol diacrylate (SA5201) in een 500 mL conische kolf.
- Voeg 1.0 g diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) Fosfine oxide (TPO) en 0.40 g van 2,5 -bis(5 -tert-butyl-benzoxazol-2-yl) thiofeen (BBOT) aan op de maatkolf.
- De kolf voorzien van een mechanische roerder en roer het mengsel bij 200 t/min gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur om te ontbinden TPO en BBOT in het acrylaat monomeer.
- Voeg 100 g van pentaerytritol tetraacrylate en 100 g van multifunctionele epoxy acrylaat (Zie Tabel van materialen) aan het mengsel.
- Roer het mengsel bij 200 omwentelingen per minuut gedurende 30 minuten bij 50 ° C om een homogene hars.
- Verwijder de mechanische roerder en passen de kolf met een stop. De kolf is gewikkeld in aluminiumfolie om de biobased acrylaat fotopolymeer hars (BAPR) te beschermen tegen licht.
Opmerking: Het protocol kan hier worden gepauzeerd. - Betrekking hebben op de bodemplaat voor een rheometer met parallel-plaat geometrie met de photoresin.
- Instellen van de kloof tussen de platen bij 1 mm en dekking van de rheometer met een UV bestendige kap.
- Meten van de viscositeit van de hars bij kamertemperatuur op schuintrekken prijzen van 0.1 tot 100 s-1; bijvoorbeeld,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, en 100 s-1.
2. Stereolithographic 3D printen met Biobased acrylaten
Opmerking: Zie onze eerdere werk12 voor meer details op deze sectie.
- Inschakelen van de 3D-printer van SLA en open modus selecteren.
- Start de model voorbereiding software op een computer. Kies de gewenste afdrukinstellingen: materiaal (doorzichtig), versie (V4) en laagdikte (50 µm).
- Open het digitaal model van het complex-vormige prototype, een standaard mozaïekpatroon (.stl) taalbestand (Zie Aanvullende codering bestand) en kiest u de locatie en oriëntatie op het platform te bouwen. Upload de afdruktaak van het model voorbereiding software de SLA 3D-printer.
Opmerking: Afhankelijk van de architectuur van het product, een ondersteunende structuur kan worden geïntegreerd in het 3D-model te stabiliseren van de constructie tijdens de fabricage. In het geval van het complex-vormige prototype hier gedemonstreerd, is een ondersteunende structuur niet vereist als afgedrukt loodrecht op de richting van bouw. - Giet 200 mL van de biobased photoresin in een hars tank. Open de 3D-printer en de hars tank goed te monteren.
- Mount het bouwen platform en sluit de 3D-printer.
- Start de afdruktaak.
- Toestaan dat de 3D-printer te fabriceren van complexe gevormde prototypes. Open de printer niet totdat de afdruktaak is voltooid.
Opmerking: Voordat u gaat afdrukken, zorg ervoor dat de 3D-printer wordt herverdeeld. Voor de bewezen protocol, is de golflengte van de laser UV 405 nm. De afdruktijd van het object is 2,5 uur.
3. nabehandeling van 3D objecten afgedrukt
Opmerking: Gebruik persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen) tijdens de volgende procedure.
- Open de printer nadat de afdruktaak is voltooid. Verwijder de build-platform, met de geproduceerde onderdelen aangesloten en sluit de printer.
- Open het station van wassen, gevuld met isopropyl alcohol, en plaats van het platform te bouwen. Start de procedure en de spoelen voor 20 min te verwijderen elke spoorverontreiniging hars.
- Wanneer de spoeldouche procedure is voltooid, het platform te bouwen uit het wassen station verwijderen en loskoppelen van de prototypes van de build-platform.
- Laat de prototypes in de lucht droog voor 30 min. Verwarm ondertussen de UV oven op 60 ° C.
Opmerking: Voorverwarmen duurt minstens 15 min. De golflengte van UV van de oven is 405 nm, identiek aan de golflengte van de laser van de SLA. - Open de UV oven en plaats snel de prototypes op het roterende platform. Sluit de UV oven en de remedie voor 60 minuten bij 60 ° C om ervoor te zorgen volledige conversie.
- Wanneer de post uithardende procedure is voltooid, opent u de UV oven en nemen de prototypes.
4. karakterisering van bovengrondse morfologie van Complex-vormige Prototypes
Opmerking: Zie onze eerdere werk12 voor meer details op deze sectie.
- Snijd ca. 1 cm van interne helix van de complexe gevormde prototype met behulp van een scheermesje.
- Het monster aan de monsterhouder met dubbel zijdig koolstof geleidende tape te koppelen.
- Voorafgaand aan de beeldvorming, jas het monster met 30 nm Pt/Pd (80:20) op een sputteren systeem.
- Invoegen van het monster in een Scannende Elektronen Microscoop werkzaam bij een versnellende spanning van 5 kV. Verschillende beelden van het monster bij 30 X en 120 X vergroting te verwerven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vier composities van representatieve hars worden weergegeven in tabel 1, samen met hun gemiddelde biobased koolstofgehalte (BC) afgeleid van de individuele BC van de componenten. De hars viscositeit (Figuur 1) wordt beïnvloed door de verhouding van acrylaat monomeren en oligomeren en meestal demonstreert Newtoniaanse gedrag. De mechanische eigenschappen van onderdelen vervaardigd uit diverse harsen werden bepaald door analyse van de spanning-spanning. Figuur 2 toont de representatieve resultaten op een universele testen machine op het gebied van E-modulus en treksterkte. Het effect van de post afdrukken behandeling op de productprestaties is afgebeeld in Figuur 3. De resolutie van de gladde oppervlak en hoge functie van complex gevormd prototypes is geopenbaard door de elektronenmicroscoop (Figuur 4). De mate van oppervlakte kraken is gerelateerd aan de oorspronkelijke hars viscositeit.
| Hars | TPO | 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-Δ | 0,40 | 0.16 | 60 | 40 | 34 |
Tabel 1: R enewable acrylaat hars formulering. Kenmerken van representatieve bioacrylate harsen, beeltenis van hars samenstelling en biobased koolstofgehalte.
Figuur 1: Rheologische gedrag van hernieuwbare acrylaat harsen voorafgaand aan afdrukken in 3D. Viscositeit als een functie van shear tarief voor niet-uitgehard BAPR monsters. Figuur is aangepast met toestemming (copyright 2018 American Chemical Society). 12 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: mechanische prestaties van 3D producten vervaardigd uit diverse bioresins door een apparaat stereolithography. Treksterkte (rood) en Youngs modulus (cyaan) van geproduceerde onderdelen van genezen BAPRs. De treksterkte bars (ISO 527-2-1BA) werden gedrukt loodrecht op de richting van bouw. Foutbalken geven de standaarddeviatie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: invloed van afdrukken na behandeling op de mechanische prestaties van 3D producten. Treksterkte van geproduceerde onderdelen behandeld post onder verschillende omstandigheden. De treksterkte bars (ISO 527-2-1BA) werden gedrukt loodrecht op de richting van bouw. Foutbalken geven de standaarddeviatie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: visuele en microscopische vertegenwoordiging van complex-vormige prototypen vervaardigd uit diverse bioresins door een stereolithography-apparaat. (A) foto van toren toren prototype bedrukt met BAPR-α (boven) en SEM beelden van overeenkomstige interne helix (onder). (B) foto van toren toren prototype bedrukt met BAPR-β (boven) en SEM beelden van overeenkomstige interne helix (onder). (C) foto van toren toren prototype bedrukt met BAPR-γ (boven) en SEM beelden van overeenkomstige interne helix (onder). (D) foto van toren toren prototype bedrukt met BAPR-δ (boven) en SEM beelden van overeenkomstige interne helix (onder). Figuur is aangepast met toestemming (copyright 2018 American Chemical Society)12. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Additieve productie wordt toegepast in de fabricage van op maat gemaakte prototypen en kleine series, wanneer de hogere productiekosten per deel concurreren met conventionele processen, kunnen want er geen noodzaak voor de productie van mallen en hulpmiddelen is. In het laatste decennium, hebben de inkomsten uit diensten en producten in verband met additieve productie exponentieel gegroeid13. De grootste fractie van materiële verkoop is van fotopolymeren delen bevinden. De groei trok de aandacht en de investeringen van grote industrieën, bijvoorbeeld lucht-en ruimtevaart, automotive, medische gestart. Het gebied van 3D printen wordt daarom verwacht verder uit te breiden in de komende jaren.
We hebben een efficiënte methode voor de nauwkeurige en on-demand fabricage van duurzame producten met hernieuwbare fotopolymeer harsen op een 3D-printer stereolithographic aangetoond. Het gebruik van goedkope biobased acrylaten als de belangrijkste component maakt deze harsen potentieel kosten concurrerend ten opzichte van hun commerciële tegenhangers. Bovendien, de bioresin-formuleringen werden met succes toegepast in een gestandaardiseerde SLA 3D drukprocédé, waardoor met behulp van dezelfde procedure en instellingen zoals toegepast voor commerciële harsen. De viscositeit van de acrylaat hars is een essentiële parameter in het 3D afdrukproces en wordt beheerd door het monomeer, oligomeer verhouding. Typisch, een schuintrekken gemiddelde hoeveelheid 100 s-1 is bereikt tijdens de recoat van vloeibare hars in de afdrukken proces14,15. In deze regio, alle bioresins hebben een viscositeit van minder dan 5 Pa·s (Figuur 1) en zijn geschikt voor toepassing in stereolithographic drukmachines.
Lithografie gebaseerde additieve productie staat bekend om haar uitstekende oppervlaktekwaliteit en precisie in vergelijking met FDM en selectieve laser sintering (SLS)16,17. Dit wordt duidelijk aangetoond door de fotografische en microscopische beelden vertegenwoordigen het complex gevormd prototypes (Figuur 4). Aan het tegendeel, zijn de mechanische eigenschappen van geproduceerde onderdelen beperkt als gevolg van de beperkte keuze van materialen die geschikt is voor de SLA proces18,19. Acrylaat systemen in het algemeen tonen broosheid en arme slagvastheid vanwege hoge dwarslijn dichtheid en inhomogene netwerkarchitectuur. Bijgevolg, de materialen die 3D van afgedrukt de hernieuwbare acrylaat-harsen heeft een treksterkte van 2-8 MPa (Figuur 2), die is lager in vergelijking met de commerciële producten12. Niettemin, optimalisatie van de post-behandeling, door het variëren van de duur van het wassen, drogen, genezen en temperatuur om te genezen, leidt tot een aanzienlijke verbetering van de mechanische prestaties (Figuur 3).
Microscopische analyse blijkt dat de functie van de hoge resolutie en uitstekende oppervlakte afwerking van de geproduceerde prototypes onder hoge vergroting (Figuur 4). De getande verticale randen van de helices vloeien voort uit de laag-voor-laag SLA drukproces, waarbij de bovenkant van een blootgestelde laag een grotere UV dosis in vergelijking met de achterkant van een laag8ontvangt. De scheuren op het oppervlak van de gefabriceerde prototypes waargenomen kunnen voortvloeien uit krimp krachten in de UV genezen proces ontwikkeld. Krimp in acrylaat systemen is omgekeerd verband te houden met de hars viscositeit20,21gevonden. Vandaar, is de omvang van het kraken (Figuur 4) bij de toepassing van meer viskeuze photoresins (Figuur 1) verlaagd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Deze studie werd ondersteund door GreenPAC polymeer Application Centre als onderdeel van het Project 140413: "3D Printing in productie". Wij zouden willen erkennen Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken en Albert Woortman voor het vergemakkelijken van het video ontspruiten.
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).
