Stereolithographic 3D-utskrift med fornybar Acrylates
Summary
En protokoll for additiv produksjon med fornybar photopolymer harpiks på et stereolitografi apparat vises.
Abstract
Tilgjengelighet av pris konkurransedyktig fornybare materialer og deres anvendelse i additiv produksjon er avgjørende for en effektiv biobaserte økonomi. Viser vi den rask prototyping bærekraftig bindemidler stereolithographic 3D skriveren. Harpiks formulering foregår ved enkel blanding av biobaserte acrylate monomerer og oligomers med photoinitiatior og optisk absorber. Harpiks viskositet styres av monomer oligomer forhold og bestemmes som en funksjon av skjær av en rheometer med parallell plate geometri. En stereolithographic apparater med biobaserte harpiks er ansatt å produsere komplekse formet prototyper med høy nøyaktighet. Produkter krever en etter behandling, inkludert alkohol skylling og UV bestråling, å sikre fullstendig herding. Funksjonen for høy oppløsning og utmerket overflate etterbehandling av prototyper avsløres av skanning elektronmikroskop.
Introduction
Rapid prototyping gjør behovsbetinget produksjon og design frihet og gir effektiv produksjon av 3D-konstruksjoner i lag-på-lag måte1. Resultatet har 3D-utskrift som en fabrikasjon teknikk utviklet raskt i årene2. Ulike teknologier er tilgjengelig, alle stole på oversettelsen av virtuelle modellene til fysiske gjenstander og bruke prosesser som ekstrudering, direkte energi deponering, pulver størkning, ark laminering og photopolymerization. Sistnevnte innebærer gradvis UV herding av flytende photopolymer harpiks. I 1986 utviklet Hull og kolleger stereolitografi apparatet (SLA), en UV laser-basert 3D-skriver. Flere nylig, en lignende prosess kalt digital light processing (DLP) blitt i photopolymerization som startes av en lys projektor. Sammen er DLP og SLA referert til som stereolitografi 3D utskrift3.
SERVICENIVÅAVTALEN brukes i høy oppløsning prototyping og fabrikasjon av biomedisinsk enheter4,5. Denne teknologien er overordnet brukte smeltet avsetning modellering (FDM) i form av nøyaktighet, overflatebehandling og oppløsning6. Avhengig av arkitekturen av produktet, er en støttestruktur integrert i 3D-modellen å stabilisere Konstruer under fabrikasjon. Videre er etter utskrift behandling av produsert deler nødvendig7,8. Vanligvis trykt objekter er vasket i en alkohol bad å oppløse Ureagert harpiks, og påfølgende herding i UV ovn utføres for å sikre full konvertering av polymerisasjon9.
Generelt, harpikser litografi-baserte additiv produksjon er avhengige av photocurable systemer multifunksjonelle acrylates eller epoksider10. Gjeldende photopolymer harpiks på det kommersielle markedet er fossilt-basert og dyrt, mens tilgjengeligheten av rimelig fornybar harpiks er nødvendig for å lette sløseri uten og lokale foredling av bærekraftig 3D for en biobaserte økonomien1 , 6. nylig photopolymer harpiks basert på fornybar acrylates ble utviklet og brukt i stereolitografi 3D utskrift11,12. Denne detaljerte protokollen viser vi den rask prototyping med biobaserte harpiks på en kommersiell stereolitografi apparater. Spesiell oppmerksomhet er betalt til kritisk trinn i prosedyren, dvs. harpiks formulering og etter utskrift behandlinger hjelpe nye utøvere innen additiv produksjon.
Protocol
Representative Results
Discussion
Additive industrien brukes i produksjon av skreddersydde prototyper og små serier, når høyere produksjonskostnader per del kan konkurrere med konvensjonelle prosesser siden det er ikke nødvendig for produksjon av muggsopp og verktøy. I det siste tiåret, har inntektene fra tjenester og produkter relatert til additive industrien vokst eksponentielt13. Den største fraksjon av materielle salg er photopolymers. Veksten tiltrakk oppmerksomhet og innviet investeringene av store industrier, f.e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble støttet av GreenPAC Polymer programmet Centre som en del av Project 140413: “3D utskrift i produksjon”. Vi ønsker å erkjenne Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken og Albert Woortman for å tilrettelegge video skyting.
Materials
| 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. , (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. , (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).
