Summary
光造形装置で再生可能な感光性樹脂樹脂添加剤の製造のためのプロトコルが表示されます。
Abstract
コスト競争力の再生可能な材料と添加剤の製造への応用のアクセシビリティは、効率的なバイオベースマテリアル経済に不可欠です。Stereolithographic の 3 D プリンターを使用して持続可能な樹脂のラピッドプロトタイピングを紹介します。樹脂製剤はバイオベースマテリアル アクリレート系モノマー ・ オリゴマーの簡単な混合 photoinitiatior と光の吸収によって起こる。樹脂の粘度はモノマーとオリゴマーの比率によって制御され、平行平板形状レオメータによる剪断速度の関数として決定されます。バイオベースマテリアル樹脂で起訴 stereolithographic 装置を採用して、高精度で複雑な形状の試作品を生産します。製品は、アルコール洗浄と紫外線照射による、完全硬化を確認など後処理が必要です。走査型電子顕微鏡は、高機能の解像度と優れた表面仕上げのプロトタイプを明らかにしました。
Introduction
ラピッドプロトタイピングは、オンデマンド生産とデザイン自由でき 3 D の効率的な製造を層によって方法1で構築します。その結果、加工技術として 3 D プリントは、近年2で急速に開発しました。様々 な技術が利用できるすべては, 実物体に仮想モデルの翻訳に頼ると押し出し、直接エネルギー蒸着、粉末凝固、シート積層光重合などのプロセスを適用します。後者は、液状感光性樹脂樹脂の段階的な UV 硬化を含まれます。1986 年に、船体と同僚光造形装置 (SLA) UV レーザー ベースの 3 D プリンターの開発。最近では、デジタル ライト処理 (DLP) と呼ばれる同様のプロセスは、光重合、光プロジェクターによって開始で、利用可能になりました。一緒に、DLP と SLA は光造形 3 D 印刷3とに呼ばれます。
SLA は、高解像度のプロトタイピングおよびバイオメディカル デバイス4、5の製造に適用されます。この技術は (FDM) のモデリング精度、表面仕上、解像度6面で広く使用されている熱溶解積層に優れています。製品のアーキテクチャによってサポート構造は製作中に構造を安定させるために 3 D モデルに統合されています。さらに、製造された部品の印刷後処理トリートメントは必要な7,8です。通常、印刷オブジェクトは未反応の樹脂を溶解するためアルコールお風呂で洗っているし、重合9の完全な転換を保証する UV オーブンでその後硬化が実行されます。
一般に、樹脂添加剤の製造の露光ベースは多機能アクリレートやエポキシド10を含む硬化システムに依存します。商業市場における現在の感光性樹脂樹脂が化石に基づく、高価なバイオベースマテリアル経済1持続可能な 3 D 製品の無駄の無い、ローカル製造を容易にするために低コストの再生可能な樹脂の可用性が必要ですが,6。 最近では、再生可能なアクリル酸エステル樹脂感光性樹脂を開発され、光造形 3 d 印刷11,12で正常に適用されました。この詳細なプロトコル、商業光造形装置バイオベースマテリアル樹脂ラピッドプロトタイピングを紹介します。特別な注意は、樹脂製剤およびポスト印刷トリートメント、添加剤の製造の分野で新しい実務を支援するなどの手順で重要なステップに支払われます。
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Protocol
注意: 使用前に関連するすべての材料安全データ用紙 (MSDS) を参照してください。
1. 光重合型樹脂の準備
注: は、次の手順の中に個人用保護具 (保護メガネ、手袋、白衣) を使用してください。このセクションの詳細については、私たち以前の作業12を参照してください。
- 1, 10-デカンジ オール レート (SA5201) の 50 g を 500 mL の三角フラスコに注ぐ。
- 1.0 g を追加 diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) ホスフィンオキシド (TPO) と 0.40 g の 2, 5 -ビス(5 -tert-ブチル-benzoxazol-2-イル) チオフェン (BBOT) フラスコに。
- 機械的撹拌機とフラスコを装備し、室温で 5 分間 200 rpm でアクリル酸モノマーの TPO と BBOT を解消するために混合物をかき混ぜます。
- ペンタエリトリトール テトラアクリ レートと多機能エポキシアクリ レート 100 g 100 g を追加 (材料の表を参照してください) の混合物に。
- 均質な樹脂を確実に 50 ° C で 30 分間 200 rpm で混合物をかき混ぜます。
- 機械的撹拌機を外し、ストッパーをフラスコに合います。フラスコはバイオベースマテリアル アクリル系光硬化性樹脂 (は) を光から保護するためにアルミ箔に包まれて。
注: プロトコルはここで一時停止することができます。 - Photoresin と平行平板形状レオメータの底板をカバーしてください。
- 1 mm の平板間のギャップを設定、耐紫外線フード付きレオメータをカバーします。
- 室温でせん断率 0.1 から 100 s-1; 樹脂の粘度を測定します。例えば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 と 100 s-1。
2 バイオベースマテリアル アクリレートと Stereolithographic 3 D プリント
注: このセクションの詳細については、私たち以前の作業12を参照してください。
- SLA の 3 D プリンターをオンにし、オープン モードを選択します。
- コンピューターのモデルの準備ソフトウェアを起動します。目的の印刷設定を選択: 材料 (クリア)、バージョン (V4) と層の厚み (50 μ m)。
- 複雑形状の試作品、標準テッセレーション (.stl) の言語ファイルのデジタル モデルを開く (符号化する補足のファイルを参照してください)、場所とビルド プラットフォームで方向を選択。 SLA の 3 D プリンターにモデル作成ソフトから印刷ジョブをアップロードします。
注: 製品のアーキテクチャによってサポート構造は製作中に構造を安定させるために 3 D モデルに統合できます。ここに示す複雑形状の試作の場合印刷ビルドの方向に垂直な場合、支持構造体は必要ありません。 - バイオベースマテリアル photoresin 200 mL を樹脂タンクに注ぐ。3 D プリンターを開き、樹脂タンクは正常にマウントします。
- ビルド プラットフォームをマウントし、3 D プリンターを閉じます。
- 印刷ジョブを開始します。
- 複雑な形をしたプロトタイプを製造する 3 D プリンターを許可します。 印刷ジョブが終了するまでプリンターを開かないでください。
注: 印刷前に 3 D プリンターが水平を確認してください。示されたプロトコルの UV レーザー波長は 405 nm。オブジェクトの印刷時間は 2.5 時間です。
3. 3 D の後処理印刷オブジェクト
注: は、次の手順の中に個人用保護具 (保護メガネ、手袋) を使用してください。
- 印刷ジョブが終了したときは、プリンターを開きます。添付、生産部品を使用してビルド プラットフォームを削除し、プリンターを閉じます。
- イソプロピル アルコールでいっぱい洗濯駅を開き、ビルド プラットフォームを挿入します。プロシージャと未反応樹脂材料に加工を削除する 20 分間洗浄を開始します。
- 洗浄の手順が終了したら、洗濯駅からビルド プラットフォームを削除し、ビルド プラットフォームからプロトタイプをデタッチします。
- 30 分の乾燥空気にプロトタイプを許可します。一方で、60 ° C での UV をオーブンします。
注: 予熱、少なくとも 15 分になります。オーブンの UV 波長は 405 nm、SLA レーザーの波長と同じ。 - UV オーブンを開き、すばやく回転台のプロトタイプを配置します。UV オーブンと完全な変換を確保するための 60 の ° C で 60 分の治療法を閉じます。
- 硬化後の手順が終わったら、UV オーブンを開けるし、プロトタイプを取る。
4 複雑な形状の試作品の表面形態の特性
注: このセクションの詳細については、私たち以前の作業12を参照してください。
- Ca. かみそりの刃を使用して複雑な形をしたプロトタイプから内部のらせんの 1 cm をカットします。
- サンプルをダブル両面カーボン導電性テープのサンプル ホルダーに取り付けます。
- イメージング、前に 30 サンプル コート スパッタ リング システムに nm Pt ・ Pd (試しました)。
- 5 の加速電圧で動作する走査型電子顕微鏡に試料を挿入 kV。30 X のサンプルのいくつかの画像と 120 倍の倍率を取得します。
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Representative Results
4 代表的な樹脂組成物は、表 1、その平均バイオベースマテリアル炭素含有量と共に (BC) コンポーネントの個々 の BC から派生したに表示されます。樹脂の粘度 (図 1) アクリル酸モノマー、オリゴマーの比率に影響されます、通常ニュー トン粘性挙動を示します。様々 な樹脂から製造された部品の機械的性質は、応力-ひずみ解析によって決定されました。図 2は、E 弾性率と引張強度の面で万能試験機の代表的な結果を表示します。製品性能に関する印刷後処理トリートメントの効果は、図 3に描かれています。複雑な形状にプロトタイプの滑らかな表面と高機能の解像度は、電子顕微鏡 (図 4) によって明らかに。表面割れの程度は、初期の樹脂の粘度に関連です。
| 樹脂 | TPO | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | 紀元前 |
| w/w % | w/w % | w/w % | w/w % | w/w % | w/w % | % | |
| Α | 0.40 | 0.16 | 20 | 40 | 40 | 67 | |
| Β | 0.40 | 0.16 | 60 | 40 | 64 | ||
| Γ | 0.40 | 0.16 | 20 | 40 | 40 | 44 | |
| Δ | 0.40 | 0.16 | 60 | 40 | 34 |
表 1:Renewable アクリル樹脂製剤。樹脂組成とバイオベースマテリアルの炭素含有量を描いた代表的な bioacrylate 樹脂の特性。
図 1: 3 D プリントの前に再生可能エポキシアクリ レート系樹脂のレオロジー 。未硬化のサンプルの剪断速度の関数として粘度。図は、アクセス許可 (著作権 2018年アメリカ化学会) に適応。12この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 光造形装置により様々 な bioresins から作製した 3 D 製品の機械的性能。引張強さ (赤) と硬化 BAPRs から生産部品のヤング率 (水色)。引張棒 (ISO 527-2-1 ba) は、ビルドの方向に垂直な印刷されました。エラーバーは標準偏差を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 3 D 製品の機械的性能に関する治療を印刷後の影響。生産部品の引張強度は、さまざまな条件の下で後扱われます。引張棒 (ISO 527-2-1 ba) は、ビルドの方向に垂直な印刷されました。エラーバーは標準偏差を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 光造形装置により様々 な bioresins から作製した複雑形状の試作品の視覚的およびミクロ的表現。(A)ルーク塔プロトタイプの写真印刷は α (上) と SEM 対応する内部螺旋 (下) の画像。(B)は β (上) と SEM ルーク塔プロトタイプの写真印刷対応する内部螺旋 (下) の画像。(C)対応する内部螺旋 (下) の画像は γ (上) と SEM でルークのプロトタイプの写真印刷。(D)は δ (上) と SEM ルーク塔プロトタイプの写真印刷対応する内部螺旋 (下) の画像。図は、アクセス許可 (著作権 2018年アメリカ化学会)12に適応。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
オーダーメイド プロトタイプおよび小さいシリーズは、金型とツールの生産のための必要性がないので部品 1 個あたりの高い生産コストが従来プロセスと競うことができる添加剤の製造を適用します。過去 10 年間のサービスおよび添加剤の製造に関連する製品の売り上げ高は13指数関数的に成長しています。材料販売の最大の分数は、フォトポリマーからです。成長は注目を集め、主要産業、航空宇宙、自動車、医療などの投資を開始しました。したがって、3 D 印刷の分野は、今後数年間でさらに拡大する予定です。
我々 は正確かつオンデマンド作製 stereolithographic 3 D プリンターで樹脂を再生可能な感光性樹脂と持続可能な製品のための効率的な方法を実証しました。低コスト バイオベースマテリアル アクリレートを主成分として使用はこれらの樹脂を商業的対応に関してで潜在的コスト競争力になります。また、bioresin 製剤プロセスを印刷、商業樹脂の適用としてそれにより同じ手順と設定を使用して標準化された SLA 3 D で適用されました。アクリル樹脂の粘度は、3 D 印刷プロセスで必須パラメーターです、モノマーとオリゴマーの比率によって制御されます。通常、100 s-1のせん断速度は、印刷プロセス14,15液体樹脂の塗り直しの時に達成されます。この地域のすべての bioresins は 5 Pa·s (図 1) 下粘度、stereolithographic 印刷装置のアプリケーションに必要な。
リソグラフィによる添加剤の製造は、その優れた表面品質と FDM と選択的レーザー焼結 (SLS)16,17と比較して精度の認識されます。複雑な形状にプロトタイプ (図 4) を表す写真や顕微鏡画像でこれを明確に示します。逆に、生産部品の機械的性質は、SLA のプロセス18,19の適した材料の限られた選択肢により制限されます。アクリル酸システムは、一般的に脆性と高い架橋密度と不均一なネットワーク アーキテクチャによる衝撃抵抗を示します。その結果、3 D 印刷材料再生可能エポキシアクリ レート系樹脂商品12と比較して低い 2 8 MPa (図 2) の終局強度があります。それにもかかわらず、洗濯、乾燥、硬化、硬化温度の持続期間を変えることによって、治療後の最適化は、力学的性能 (図 3) の大幅な改善につながります。
顕微鏡による解析では、高機能の解像度と高倍率 (図 4) の下で作り出されたプロトタイプの仕上げの優秀な表面を明らかにします。ヘリックスの鋸歯状の垂直エッジは、露出した層の上部が8層の背面に大きな紫外線量を受信する層によって SLA 印刷プロセスに起因します。試作したプロトタイプの表面で観察されたひびは紫外線硬化プロセスで開発された収縮力に起因できます。アクリレート系における収縮は逆に樹脂粘度20,21に関連することがわかった。したがってより粘性 photoresins (図 1) を適用する場合 (図 4) を割れの範囲が減少します。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この調査は、プロジェクト 140413 の一部として GreenPAC 高分子アプリケーション センターによってサポートされた:「生産 3 D 印刷」。アルバート ・ ハートマン、コリーヌ ・ ヴァン ・ Noordenne を認識したいと思います、Ren ビデオ撮影を促進するためのアルバート Woortman、ジュル van Dijken フェムケ Tamminga Anniek ブルーインズ リューエンのバンします。
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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