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Chemistry

Stereolithographic stampa 3D con rinnovabili acrilati

Published: September 12, 2018 doi: 10.3791/58177

Summary

Un protocollo per la produzione additiva con resine fotopolimeriche rinnovabili su un apparato di stereolitografia è presentato.

Abstract

L'accessibilità di costi competitivi materiali rinnovabili e la loro applicazione nella produzione di additivi è essenziale per un'economia efficiente biobased. Dimostriamo la prototipazione rapida di resine sostenibile utilizzando una stampante 3D di stereolithographic. Formulazione della resina avviene mediante semplice miscela di biobased acrilato monomeri e oligomeri con un photoinitiatior e assorbitore di ottico. Viscosità della resina è controllata dal monomero rapporto oligomero e viene determinato in funzione della velocità di taglio di un reometro con geometria parallela del piatto. Un apparato di stereolithographic addebitato con le resine biobased è impiegato per produrre prototipi a forma complessi con elevata precisione. I prodotti richiedono un post-trattamento, tra cui alcol risciacquo e irradiazione UV, per garantire una polimerizzazione completa. La caratteristica alta risoluzione e superficie eccellente finitura dei prototipi è rivelato da microscopia elettronica a scansione.

Introduction

Prototipazione rapida consente libertà di progettazione e produzione su richiesta e che la produzione efficiente di 3D costruisce in un modo a strati1. Di conseguenza, stampa 3D come una tecnica di fabbricazione è sviluppato rapidamente in anni recenti2. Varie tecnologie sono disponibili, tutti basandosi sulla traduzione di modelli virtuali in oggetti fisici e l'applicazione di processi come estrusione, deposizione di energia diretta, solidificazione di polvere, foglio di laminazione e fotopolimerizzazione. Quest'ultima coinvolge graduale indurimento UV delle resine in fotopolimero liquido. Nel 1986, scafo e colleghi di lavoro sviluppato apparato di stereolitografia (SLA), una stampante 3D basati su laser UV. Più recentemente, un processo simile chiamato digital light processing (DLP) è diventato disponibile, in cui fotopolimerizzazione è iniziata da un proiettore. Insieme, DLP e SLA vengono denominati per stereolitografia 3D stampa3.

SLA viene applicato in alta risoluzione prototipazione e realizzazione di dispositivi biomedicali4,5. Questa tecnologia è superiore all'ampiamente usata deposizione fusa modellazione (FDM) in termini di precisione, finitura superficiale e risoluzione6. A seconda dell'architettura del prodotto, una struttura di supporto è integrata nel modello 3D per stabilizzare il costrutto durante la fabbricazione. Inoltre, un trattamento post-stampa dei pezzi prodotti è richiesto7,8. In genere, oggetti stampati vengono lavati in un bagno di alcool per sciogliere la resina non reagita, e successiva polimerizzazione in forno UV viene eseguita per garantire piena conversione della polimerizzazione9.

In generale, resine per la produzione additiva basati su Litografia si affidano fotocurabili sistemi contenenti multifunzionale acrilati o epossidi10. Le resine fotopolimeriche attuale sul mercato commerciale sono basata sui combustibili fossili e costosi, mentre la disponibilità di basso costo rinnovabili resine è necessario per facilitare la produzione locale e senza sprechi di prodotti sostenibili 3D per un biobased economia1 , 6. recentemente, resine fotopolimeriche basate su rinnovabili acrilati erano sviluppate e applicate con successo in stereolitografia 3D stampa11,12. In questo protocollo dettagliato, dimostriamo la prototipazione rapida con resine biobased su un apparato commerciale stereolitografia. Particolare attenzione è rivolta ai passaggi critici della procedura, cioè, resina formulazione e post-stampa trattamenti, per aiutare gli operatori di nuovi nel campo della produzione additiva.

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Protocol

Attenzione: Si prega di consultare tutte le schede di dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso.

1. preparazione della resina fotocurabili

Nota: Si prega di utilizzare dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice da laboratorio) durante la procedura seguente. Vedi il nostro precedente lavoro12 per maggiori dettagli su questa sezione.

  1. Versare 50 g di 1,10-decanediol Diacrilato (SA5201) in una beuta da 500 mL.
  2. Aggiungere 1,0 g di diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) fosfinossido (TPO) e 0,40 g di 2,5 -bis(5 -tert-butil-benzoxazol-2-yl) tiofene (BBOT) al pallone.
  3. Dotare la beuta con un agitatore meccanico e agitare la miscela a 200 rpm per 5 min a temperatura ambiente per sciogliere TPO e BBOT nel monomero acrilato.
  4. Aggiungere 100 g di pentaeritritolo tetracrilato e 100 g di acrilato a resina epossidica multifunzionale (Vedi Tabella materiali) alla miscela.
  5. Mescolare il composto a 200 rpm per 30 min a 50 ° C per garantire una resina omogenea.
  6. Rimuovere l'agitatore meccanico e montare il recipiente con un tappo. Il pallone è avvolto in un foglio di alluminio per proteggere la resina fotopolimerica acrilato di biobased (BAPR) dalla luce.
    Nota: Il protocollo può essere messo in pausa qui.
  7. Coprire la piastra inferiore di un reometro con geometria di piatti paralleli con il photoresin.
  8. Impostare la distanza tra le piastre a 1 mm e coprire il reometro con un cappuccio resistente alle raggi UV.
  9. Misurare la viscosità della resina a temperatura ambiente a tassi del taglio da 0,1 a 100 s-1; ad esempio,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 stampa 3D con Biobased acrilati

Nota: Vedere il nostro precedente lavoro12 per maggiori dettagli su questa sezione.

  1. Accendere la stampante 3D di SLA e selezionare la modalità di apertura.
  2. Avviare il software di preparazione del modello in un computer. Scegliere impostazioni di stampa desiderato: materiale (trasparente), versione (V4) e spessore dello strato (50 µm).
  3. Aprire il modello digitale del prototipo di forma complessa, un file di lingua (STL) standard a mosaico (vedere File di codifica supplementare) e scegliere la posizione e l'orientamento sulla piattaforma di compilazione.  Caricare il processo di stampa dal software di preparazione del modello per la stampante 3D di SLA.
    Nota: A seconda dell'architettura del prodotto, una struttura di sostegno può essere integrata nel modello 3D per stabilizzare il costrutto durante la fabbricazione. In caso il prototipo di forma complessa dimostrato qui, una struttura di supporto non è necessaria se stampato normale alla direzione di compilazione.
  4. Versare 200 mL del photoresin biobased in un serbatoio di resina. Aprire la stampante 3D e montare correttamente il serbatoio di resina.
  5. Montare la piattaforma di compilazione e chiudere la stampante 3D.
  6. Avviare il processo di stampa.
  7. Attendere che la stampante 3D fabbricare prototipi a forma complesse.  Non aprire la stampante fino a quando il processo di stampa è terminato.
    Nota: Prima di stampare, assicurarsi che la stampante 3D è livellata. Per il protocollo ha dimostrato, la lunghezza d'onda del laser UV è 405 nm. La data di stampa dell'oggetto è 2,5 h.

3. post-trattamento del 3D stampato oggetti

Nota: Si prega di utilizzare dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti) durante la procedura seguente.

  1. Al termine il processo di stampa, aprire la stampante. Rimuovere la piattaforma di compilazione, con pezzi prodotti collegati e chiudere la stampante.
  2. Aprire la stazione di lavaggio, riempita con alcool isopropilico e inserire la piattaforma di compilazione. Avviare la procedura e risciacquo per 20 min rimuovere qualsiasi resina non reagito.
  3. Una volta ultimata la procedura di risciacquo, rimuovere la piattaforma di compilazione dalla stazione di lavaggio e scollegare i prototipi dalla piattaforma di compilazione.
  4. I prototipi per aria, lasciare asciugare per 30 min. Nel frattempo, preriscaldare il forno UV a 60 ° C.
    Nota: Preriscaldamento richiederà almeno 15 min. La lunghezza d'onda UV del forno è 405 nm, identica alla lunghezza d'onda del laser di SLA.
  5. Aprire il forno UV e posizionare rapidamente i prototipi sulla piattaforma rotante. Chiudere il forno UV e cura per 60 min a 60 ° C per garantire la completa conversione.
  6. Una volta ultimata la procedura di post-vulcanizzazione, aprire il forno UV e prendere dei prototipi.

4. caratterizzazione della morfologia superficiale dei prototipi di forma complessa

Nota: Vedere il nostro precedente lavoro12 per maggiori dettagli su questa sezione.

  1. Taglio ca. 1 cm dell'elica interna dal prototipo a forma complesso utilizzando una lama di rasoio.
  2. Fissare il campione per il portacampioni con nastro conduttivo double sided carbonio.
  3. Prima di formazione immagine, rivestire il campione con 30 nm Pt/Pd (80: 20) su un sistema di sputtering.
  4. Inserire il campione in un microscopio elettronico a scansione a una tensione di accelerazione di 5 kV. Acquisire diverse immagini del campione a 30x e 120 ingrandimenti.

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Representative Results

Quattro composizioni di resina rappresentante vengono visualizzati in tabella 1, insieme al loro contenuto di carbonio biobased medio (BC) derivato dal AC individuale dei componenti. La viscosità della resina (Figura 1) è influenzata dal rapporto di acrilato monomeri e oligomeri e in genere viene illustrato comportamento newtoniano. Le proprietà meccaniche di parti prodotte da varie resine sono state determinate mediante analisi di sollecitazione-deformazione. Figura 2 Visualizza il risultato rappresentativo su una macchina di prova universale in termini di modulo di elasticità e resistenza alla trazione. L'effetto del trattamento post-stampa sulle prestazioni del prodotto è raffigurato in Figura 3. La risoluzione di liscia superficie ed alta funzionalità del complesso a forma di prototipi rivela il microscopio elettronico (Figura 4). Il limite di incrinature superficiali è collegato con la viscosità della resina iniziale.

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

Tabella 1: R formulazione di resina di acrilato enewable. Caratteristiche delle resine bioacrylate rappresentativo, raffigurante il tenore di carbonio di composizione e biobased di resina.

Figure 1
Figura 1: comportamento reologico di resine acriliche rinnovabili prima della stampa 3D. Viscosità in funzione della velocità di taglio per campioni di BAPR non polimerizzati. Figura è adattata con il permesso (copyright 2018 American Chemical Society). 12 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: prestazioni meccaniche dei prodotti 3D realizzati da vari bioresins da un apparato di stereolitografia. Resistenza alla trazione (rosso) e modulo di Young (ciano) di parti prodotte da BAPRs guarito. Le barre di trazione (ISO 527-2-1BA) sono state stampate normale alla direzione di compilazione. Barre di errore indicano la deviazione standard. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: influenza della post-stampa trattamento su prestazioni meccaniche dei prodotti 3D. Resistenza alla trazione di pezzi prodotti post-trattati in varie condizioni. Le barre di trazione (ISO 527-2-1BA) sono state stampate normale alla direzione di compilazione. Barre di errore indicano la deviazione standard. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: rappresentazione visiva e microscopica di forma complessa prototipi realizzati da vari bioresins da un apparato di stereolitografia. (A) foto del prototipo Torre Torre stampata con BAPR-α (in alto) e SEM immagini dell'elica interna corrispondente (in basso). (B) foto del prototipo Torre Torre stampata con BAPR-β (in alto) e SEM immagini dell'elica interna corrispondente (in basso). (C) foto del prototipo Torre Torre stampata con BAPR-γ (in alto) e SEM immagini dell'elica interna corrispondente (in basso). (D) foto del prototipo Torre Torre stampata con BAPR-δ (in alto) e SEM immagini dell'elica interna corrispondente (in basso). Figura è adattata con permesso (copyright 2018 American Chemical Society)12. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Produzione additiva viene applicato nella fabbricazione di prototipi su misura e piccole serie, quando i più alti costi di produzione per pezzo possono competere con i processi convenzionali, poiché non vi è alcuna necessità di produzione di stampi e utensili. Nell'ultimo decennio, i ricavi da servizi e prodotti legati alla produzione di additivi sono cresciuti esponenzialmente13. La frazione più grande di vendita di materiale è da fotopolimeri. La crescita ha attirato l'attenzione e ha avviato gli investimenti delle grandi industrie, per esempio, aerospaziale, automotive, medicale. Pertanto, il campo di stampa 3D si prevede di espandere ulteriormente nei prossimi anni.

Abbiamo dimostrato un metodo efficace per la realizzazione accurata e on-demand di prodotti sostenibili con resine fotopolimeriche rinnovabili su una stampante 3D di stereolithographic. L'uso di basso costo biobased acrilati come componente principale rende queste resine potenzialmente costi competitivi rispetto alle loro controparti commerciali. Inoltre, le formulazioni di bioresin sono state applicate correttamente in un 3D di SLA standardizzato processo di stampa, quindi utilizzando la stessa procedura e impostazioni applicate per resine commerciali. La viscosità della resina dell'acrilato è un parametro essenziale nel processo di stampa 3D ed è controllata dal monomero rapporto oligomero. In genere, una velocità di taglio di 100 s-1 è raggiunto durante la ricopertura di resina liquida nella stampa processo14,15. In questa regione, tutti i bioresins hanno una viscosità inferiore a 5 PA · s (Figura 1) e sono adatti per applicazioni in apparecchiature di stampa stereolithographic.

Produzione additiva basati su litografia è riconosciuto per la sua eccellente qualità superficiale e precisione rispetto ai FDM e laser selettiva (SLS)16,17di sinterizzazione. Questo è chiaramente dimostrato dalle immagini fotografiche e microscopiche che rappresenta il complesso a forma di prototipi (Figura 4). Al contrario, le proprietà meccaniche di parti prodotte sono limitate a causa della limitata scelta di materiali adatti per la SLA processo18,19. In generale, sistemi di acrilato mostrano fragilità e resistenza all'urto povero a causa della densità di reticolazione alta e architettura di rete non omogeneo. Di conseguenza, i materiali 3D stampato dalle rinnovabili resine acriliche hanno un carico di rottura del 2-8 MPa (Figura 2), che è inferiore rispetto ai prodotti commerciali12. Tuttavia, ottimizzazione del post-trattamento, variando la durata del lavaggio, asciugatura, stagionatura e temperatura di polimerizzazione, conduce ad un significativo miglioramento delle prestazioni meccaniche (Figura 3).

L'analisi al microscopio rivela la caratteristica ad alta risoluzione e superficie eccellente finitura dei prototipi prodotti sotto alto ingrandimento (Figura 4). I bordi verticali dentellati delle eliche derivano dal processo stampa di SLA di strato per strato, in cui la parte superiore di un strato esposto riceve una più grande dose di UV rispetto alla parte posteriore di un layer8. Le crepe osservate sulla superficie dei prototipi fabbricati possono derivare da restringimento forze sviluppate nel processo di reticolazione UV. Ritiro in sistemi di acrilato è trovato per essere collegati inversamente con la resina viscosità20,21. Quindi, nella misura di cracking (Figura 4) è ridotta quando si applica più viscoso photoresins (Figura 1).

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Questo studio è stato sostenuto dal centro di applicazione del polimero GreenPAC come parte del progetto 140413: "stampa 3D in produzione". Vorremmo riconoscere Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken e Albert Woortman per facilitare le riprese video.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Chimica problema 139 additivo produzione rinnovabile sostenibile fotopolimero resina
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