Summary
פרוטוקול לייצור תוסף עם שרפים מתחדשת photopolymer על מנגנון stereolithography מוצג.
Abstract
הנגישות של חומרי מתחדשת תחרותי עלות ויישומם בייצור תוסף חיוני עבור כלכלה biobased יעיל. נדגים את שטנץ מהירה של שרפים בר קיימא באמצעות מדפסת תלת-ממד stereolithographic. ניסוח שרף מתקיים על ידי ערבוב פשוטה של biobased אקרילט מונומרים ו oligomers עם photoinitiatior, בולם אופטי. שרף צמיגות נשלטת על ידי מונומר אוליגומר יחס, נקבע כפונקציה של שיעור הטיה על ידי rheometer עם גאומטריה צלחת מקבילים. מנגנון stereolithographic מואשם שרפים biobased הוא מועסק כדי לייצר טיפוס בצורת מורכבים עם רמת דיוק גבוהה. המוצרים דורשים טיפול פוסט, כולל אלכוהול שטיפה, הקרנת UV, כדי להבטיח ריפוי מלא. רזולוציה גבוהה תכונה של גימור של אבות-טיפוס מעולה השטח מתגלה על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק.
Introduction
שטנץ מהירה מאפשר חופש הפקה ועיצוב לפי דרישה ומאפשר שייצור יעיל של תלת-ממד בונה ב שכבה-על האופן1. כתוצאה מכך, הדפסת תלת-ממד כמו טכניקה ייצור פיתחה במהירות בשנים האחרונות2. טכנולוגיות שונות זמינות, כל הסתמכות על התרגום של מודלים וירטואליים לתוך עצמים פיזיים, ויישום תהליכים כגון הבלטה, התצהיר ישיר אנרגיה, אבקת התמצקות, למינציה גיליון ו- photopolymerization. האחרון כרוך stepwise UV לריפוי שרפים photopolymer נוזלי. בשנת 1986, גוף ועמיתים פיתח מנגנון stereolithography (SLA), UV מבוססת לייזר מדפסת תלת-ממד. לאחרונה, תהליך דומה הנקרא אור דיגיטלי עיבוד (DLP) הפך זמין, אשר photopolymerization הוא שיזם מקרן אור. יחד, dlp® ו- SLA מכונים stereolithography הדפסה 3D3.
SLA מיושמת שטנץ ברזולוציה גבוהה ייצור של התקנים ביו4,5. טכנולוגיה זו עדיפה העדות מאוחה בשימוש נרחב דוגמנות (FDM) מבחינת דיוק, גימור פני השטח, רזולוציה6. בהתאם הארכיטקטורה של המוצר, מבנה תמיכה משולב דגם התלת-ממד כדי לייצב את הבונה במהלך ייצור. יתר על כן, טיפול פוסט-הדפסה של החלקים הוא נדרש7,8. בדרך כלל, מודפסים אובייקטים נשטפים באמבט אלכוהול כדי להמיס שרף unreacted, ריפוי עוקבות בתנור UV מבוצע כדי להבטיח המרה מלאה של פלמור9.
באופן כללי, שרפים לייצור תוסף מבוסס-ליתוגרפיה מסתמכים על מערכות photocurable המכיל acrylates או epoxides רב תכליתיים10. שרפים photopolymer הנוכחי בשוק המסחרי הם מאובנים מבוססי, יקר, בעוד הזמינות של שרפים מתחדשת נמוכים יש צורך להקל ללא פסולת ומקומיים בייצור של מוצרים בני-קיימא תלת-ממד עבור הכלכלה biobased1 , 6. לאחרונה, שרפים photopolymer מבוסס על acrylates מתחדשת היו להתפתח והחיל בהצלחה stereolithography 3D ההדפסה11,12. ב פרוטוקול מפורט זה, נדגים את שטנץ מהירה עם שרפים biobased על מנגנון stereolithography מסחרי. תשומת לב מיוחדת לשלבים קריטיים בשגרה, קרי, טיפולים ניסוח והדפסת פוסט-שרף, כדי לעזור למתרגלים חדשים בתחום הייצור מוספים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
אזהרה: נא עיין כל גליונות נתונים גשמי בטיחות (MSDS) לפני השימוש.
1. הכנת Photocurable שרף
הערה: אנא השתמש ציוד מגן אישי (בטיחות משקפיים, כפפות, חלוק המעבדה) במהלך ההליך הבא. על סעיף זה, עיין שלנו העבודה הקודם12 לפרטים נוספים.
- יוצקים 50 גר' 1,10-decanediol diacrylate (SA5201) ב- 500 מ ל Erlenmeyer את הבקבוק.
- להוסיף 1.0 גר' diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) תחמוצת פוספין (TPO) ו- g 0.40 של 2, 5 -bis(5 -טרט-בוטיל-benzoxazol-2-yl) thiophene (bbot ב) על הבקבוק.
- לצייד את הבקבוק עם בחישה מכני ומערבבים את התערובת ב 200 סל"ד למשך 5 דקות בטמפרטורת החדר על מנת להמיס מונומר אקרילט TPO, bbot.
- להוסיף 100 גרם של pentaerythritol tetraacrylate, 100 גרם של רב תכליתיים אפוקסי אקרילט (ראה טבלה של חומרים) לתערובת.
- מערבבים את התערובת ב 200 סל"ד למשך 30 דקות ב 50 ° C כדי להבטיח שרף הומוגנית.
- הסר את קדירות מכני, להתאים את הבקבוק עם פקק. הבקבוקון עטופה רדיד אלומיניום על שרף photopolymer אקרילט (BAPR) biobased מפני אור.
הערה: הפרוטוקול אפשר לעצור כאן. - מכסים צלחת התחתון של rheometer עם גאומטריה במקביל-צלחת עם photoresin.
- הגדר את הפער בין הלוחות-1 מ מ, לכסות את rheometer עם ברדס עמיד UV.
- למדוד את צמיגות שרף בטמפרטורת החדר הטיה המחירים החל מ- 0.1 ל 100 s-1; למשל,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, ו- 100 s-1.
2. Stereolithographic הדפסה תלת-ממדית עם Biobased Acrylates
הערה: ראה שלנו העבודה הקודם12 לפרטים נוספים על סעיף זה.
- להפעיל במדפסת תלת-ממד SLA ולבחור את מצב הפתיחה.
- להפעיל את התוכנה הכנת מודל במחשב. לבחור את הגדרות ההדפסה הרצוי: חומר (נקה), גירסה (V4) ועובי שכבת (50 מיקרומטר).
- פתח את המודל הדיגיטלי של האבטיפוס בצורת קומפלקס, קובץ שפה (.stl) פסיפס רגיל (ראה קובץ קידוד משלימה) ובחרו את המיקום והכיוון על פלטפורמה לבנות. להעלות את משימת ההדפסה מתוך התוכנה הכנת מודל במדפסת תלת-ממד SLA.
הערה: בהתאם הארכיטקטורה של המוצר, מבנה תמיכה יכול להיות משולב דגם התלת-ממד כדי לייצב את הבונה במהלך ייצור. במקרה של האבטיפוס בצורת קומפלקס המודגמות כאן, מבנה התמיכה אינה נדרשת אם מודפס רגיל לכיוון לבנות. - יוצקים 200 מ של photoresin biobased לתוך טנק שרף. פתח את המדפסת 3D והר למיכל שרף כראוי.
- הר פלטפורמת לבנות וסגור במדפסת תלת-ממד.
- הפעל משימת ההדפסה.
- לאפשר למדפסת תלת-ממד כדי לפברק טיפוס בצורת מורכבים. אל תפתח את המדפסת עד לסיום משימת ההדפסה.
הערה: לפני ההדפסה, ודא כי המדפסת התלת-ממד היא החלקה. עבור פרוטוקול והפגינו, הוא אורך הגל של הלייזר UV 405 ננומטר. זמן הדפסה של האובייקט הוא 2.5 h.
3. שלאחר הטיפול של תלת-ממד מודפסים אובייקטים
הערה: אנא השתמש ציוד מגן אישי (בטיחות משקפיים, כפפות) במהלך ההליך הבא.
- עם סיום משימת ההדפסה, פתח את המדפסת. להסיר את פלטפורמת לבנות, עם החלקים המיוצרים מצורף וסגור את המדפסת.
- לפתוח תחנת כביסה, מלא אלכוהול איזופרופיל, והכנס את הפלטפורמה לבנות. להתחיל את הליך ולשטוף במשך 20 דקות להסיר שרף unreacted.
- עם סיום ההליך השטיפה, להסיר את הפלטפורמה לבנות תחנת כביסה ולנתק אבות-טיפוס של פלטפורמת לבנות.
- לאפשר את טיפוס אל אוויר יבש למשך 30 דקות. בינתיים, מחממים תנור UV ב 60 מעלות צלזיוס.
הערה: חימום ייקח לפחות 15 דקות. אורך הגל UV של התנור הוא 405 ננומטר, אורך הגל של הלייזר SLA זהה. - לפתוח את דלת התנור UV ולמקם במהירות אבות-טיפוס על פלטפורמה מסתובבת. סגור את התנור UV ואת התרופה עבור 60 דקות ב 60 ° C כדי להבטיח המרה מלאה.
- עם סיום ההליך פוסט-ריפוי, לפתוח את דלת התנור UV, להוציא אבות-טיפוס.
4. אפיון של פני השטח המורפולוגיה של טיפוס בצורת קומפלקס
הערה: ראה שלנו העבודה הקודם12 לפרטים נוספים על סעיף זה.
- לחתוך ca. 1 ס מ של סליל פנימי של האבטיפוס בצורת מורכבים בעזרת סכין גילוח.
- לצרף את הדגימה בעל מדגם עם קלטת מוליך פחמן צדדית כפולה.
- לפני הדמיה, מעיל הדגימה עם 30 ננומטר Pt/Pd (80:20) על מערכת המלהגים.
- להכניס את הדגימה במיקרוסקופ אלקטרונים סריקה הפעלה במתח מאיץ של 5 kV. לרכוש מספר תמונות של המדגם 30 X 120 X הגדלה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ארבע יצירות שרף נציג מוצגים בטבלה 1, יחד עם פחמן biobased הממוצע שלהם תוכן (לפנה ס) נגזר מן ה לפנה ס הבודדים המרכיבים. צמיגות שרף (איור 1) מושפע על ידי היחס של מונומרים אקרילט ו oligomers ומדגים בדרך כלל התנהגות הניוטונית. תכונות מכניות של חלקים המיוצרים שרפים שונים נקבעו על ידי ניתוח מתח-זן. איור 2 מציג את התוצאה נציג במחשב בדיקה יוניברסל E-מודולוס, חוזק. השפעת הטיפול שלאחר ההדפסה על הביצועים המוצר מתואר באיור3. הרזולוציה חלקה תכונה משטח גבוה של קומפלקס בצורת טיפוס מתגלה על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים (איור 4). היקף השטח פיצוח קשורה צמיגות שרף הראשונית.
| שרף | TPO | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | לפנה ס |
| % 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-אלפא | 0.40 | 0.16 | 60 | 40 | 34 |
טבלה 1: R ניסוח אקרילט שרף enewable. מאפייני bioacrylate נציג שרפים, המתארים תוכן פחמן הלחנה ו biobased שרף.
איור 1: התנהגות Rheological של שרפים מתחדשת אקרילט לפני הדפסה תלת-ממדית. צמיגות כפונקציה של שיעור הטיה של דגימות BAPR משומרים. איור הוא מותאם עם הרשאה (זכויות יוצרים 2018 האמריקני לכימיה). 12 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: ביצועים מכני של מוצרים תלת-ממד מפוברק מן bioresins שונים על ידי מנגנון stereolithography. חוזק מתיחה (אדום), האלסטיות (ציאן) של חלקים המיוצרים מ- BAPRs נרפא. פסי מתיחה (ISO 527-2-1BA) הודפסו נורמלי לכיוון לבנות. קווי שגיאה מציינות סטיית התקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: השפעת הדפסת שלאחר טיפול על ביצועים מכני של מוצרים תלת-ממד- חוזק של חלקים המיוצרים שלאחר טיפול בתנאים שונים. פסי מתיחה (ISO 527-2-1BA) הודפסו נורמלי לכיוון לבנות. קווי שגיאה מציינות סטיית התקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: ייצוג חזותי, מיקרוסקופיים של אבי טיפוס בצורת קומפלקס מפוברק מן bioresins שונים על ידי מנגנון stereolithography. (א) תמונה של צריח מגדל טיפוס מודפס עם BAPR-α (למעלה), SEM תמונות של סליל פנימי המתאים (למטה). (B) צילום של צריח מגדל טיפוס עם BAPR-β (למעלה), SEM לתמונות מודפסות של סליל פנימי המתאים (למטה). (ג) צילום של צריח מגדל טיפוס עם BAPR-γ (למעלה), SEM לתמונות מודפסות של סליל פנימי המתאים (למטה). (ד) צילום של צריח מגדל טיפוס עם BAPR-אלפא (למעלה), SEM לתמונות מודפסות של סליל פנימי המתאים (למטה). איור הוא מותאם עם רשות (זכות יוצרים 2018 האמריקני לכימיה)12. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הייצור מוספים מוחלת על ייצור של תפורים אבי טיפוס וסדרות קטנות, עלויות ייצור גבוהות יותר לכל חלק יכול להתחרות עם תהליכים המקובלת מאחר שאין צורך לייצור תבניות וכלים. בעשור האחרון, הרווחים של שירותים ומוצרים הקשורים הייצור מוספים גדלו בצורה אקספוננציאלית13. השבר הגדול של מכירות גשמי הוא photopolymers. הגידול משך תשומת לב ויזם ההשקעות של תעשיות הגדולות, למשל, וחלל, הרכב, רפואי. לכן, השדה של הדפסת תלת-ממד צפוי להרחיב בשנים הקרובות.
. הראו לנו שיטה יעילה עבור הזיוף ומדויקים לפי דרישה של מוצרים בני-קיימא עם שרפים מתחדשת photopolymer מדפסת תלת-ממד stereolithographic. השימוש של acrylates biobased בעלות נמוכה המרכיב העיקרי הופך שרפים אלו שעשויות להיות בעלות תחרותי ביחס עמיתיהם המסחרי. יתר על כן, ניסוחים bioresin הוחלו בהצלחה ב- 3D SLA מתוקננת הדפסה התהליך, ובכך שימוש באותו הליך ההגדרות ' ' כפי שהוא מיושם עבור שרפים מסחרי. צמיגות של שרף אקרילט הוא פרמטר חיוני בתהליך ההדפסה התלת-ממד ונשלט על-ידי מונומר אוליגומר יחס. בדרך כלל, קצב הטיה של 100 s-1 מושגת במהלך recoat של שרף נוזלי14,תהליך ההדפסה15. באזור זה, bioresins כל יש צמיגות להלן 5 Pa·s (איור 1) והם המתאים ליישום בציוד ההדפסה stereolithographic.
מבוסס-ליתוגרפיה הייצור מוספים מוכרת בשל טיב שטח איכותי בו דיוק בהשוואה FDM ולייזר סלקטיבי סינטור16,(SLS)17. זה מומחש באופן ברור הצילום מיקרוסקופיים ותמונות המייצגים המתחם בצורת טיפוס (איור 4). להפך, התכונות המכאניות של חלקים המיוצרים מוגבלות בשל הבחירה מוגבלת של חומרים מתאים של תהליך SLA18,19. מערכות אקרילט להראות באופן כללי פריכות והתנגדות ההשפעה עניים עקב צפיפות גבוהה crosslink, ארכיטקטורת הרשת inhomogeneous. כתוצאה מכך, החומרים 3D שהודפסו אקרילט שרפים מתחדשת יש את הכוח האולטימטיבי של 2-8 MPa (איור 2), שזה נמוך לעומת מוצרים מסחריים12. למרות זאת, אופטימיזציה של טיפול פוסט, על ידי שינוי משך הזמן של כביסה, ייבוש, ריפוי, טמפרטורה של ריפוי, מוביל לשיפור משמעותי בביצועים מכני (איור 3).
ניתוח מיקרוסקופי חושף את הרזולוציה תכונה גבוהה ואת מעולה משטח גימור של אבות-טיפוס המיוצרים תחת בהגדלה (איור 4). הקצוות האנכיים משונן של helices נובעים שכבה-על SLA תהליך ההדפסה, שבו העליון של שכבת חשוף מקבל מנה UV גדול יותר בהשוואה לחלק האחורי של שכבה8. הסדקים שנצפו על פני השטח של אבות-טיפוס מפוברק יכול לנבוע כוחות הצטמקות שפותחה ב- UV תהליך ריפוי. הצטמקות במערכות אקרילט נמצא הפוך להיות קשורה שרף צמיגות20,21. לכן, מידת פיצוח (איור 4) מצטמצם בשעת החלת צמיגיים יותר photoresins (איור 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי מרכז יישום פולימר GreenPAC במסגרת פרויקט 140413: "הדפסת תלת-ממד בייצור". ברצוננו להודות אלברט הרטמן, קורין ון Noordenne, המקומות ואן Leeuwen, Anniek ברואינס, Femke Tamminga, Jur ואן Dijken, אלברט Woortman להקלה על הירי וידאו.
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).
