Summary
Stereolitografi cihazları üzerinde yenilenebilir Fotopolimer reçineler ile katkı üretim için bir protokol sunulmuştur.
Abstract
Rekabetçi maliyet yenilenebilir malzemeler ve bunların uygulama katkı imalat erişilebilirliğini verimli biobased ekonomisi için önemlidir. Biz bir stereolithographic 3D printerlere harcama maddeler kullanarak sürdürülebilir reçineler hızlı prototipleme göstermek. Reçine formülasyonu basit biobased akrilat monomerler ve reaksiyonlar bir photoinitiatior ve optik emici ile karıştırarak yer alır. Reçine viskozite monomer oligomer oranı tarafından denetlenir ve kesme hızı bir fonksiyonu olarak bir rheometer paralel plaka geometri ile belirlenir. Biobased reçine ile tahsil stereolithographic cihazları yüksek doğrulukta karmaşık şekilli prototip üretmek için istihdam edilmektedir. Ürünleri alkol durulama ve UV radyasyon vermeliyiz tam kür emin olmak için dahil olmak üzere, tedavi sonrası gerektirir. Yüksek özelliği çözünürlük ve mükemmel yüzey bir prototip bitirme elektron mikroskobu tarama tarafından saptandı.
Introduction
Hızlı prototipleme isteğe bağlı üretim ve tasarım özgürlüğü sağlar ve verimli üretim 3B katman katman şekilde1' yapıları sağlar. Sonuç olarak, 3D baskı imalat Teknik olarak son yıllarda2' hızla geliştirmiştir. Tüm sanal modelleri tercüme fiziksel nesneler güvenerek ve ekstrüzyon, doğrudan enerji birikimi, toz katılaşma, levha laminasyon ve photopolymerization gibi işlemleri uygulayarak çeşitli teknolojileri mevcuttur. İkinci kademeli UV sıvı Fotopolimer reçineler kür içerir. 1986'da, Hull ve iş stereolitografi aparatı (SLA), bir UV lazer tabanlı 3D yazıcı geliştirdi. Daha yakın zamanlarda, dijital ışık işleme (DLP) adı verilen bir benzer işlem hangi photopolymerization hafif bir projektör ile başlatılır kullanılabilir hale gelmiştir. Birlikte, DLP ve SLA stereolitografi 3D yazdırma3adlandırılır.
SLA yüksek çözünürlüklü prototip ve üretim / Biyomedikal Cihazlar4,5uygulanır. Yaygın olarak kullanılan erimiş birikimi (FDM) modelleme doğruluğu, yüzey ve çözünürlük6açısından üstün bir teknolojidir. Ürün mimari bağlı olarak, bir destek yapı yapı imalat sırasında stabilize etmek için 3D modeli entegre edilmiştir. Ayrıca, bir sonrası baskı üretilen parçaların gerekli7,8tedavidir. Tipik olarak, yazdırılan nesnelerin unreacted reçine çözülmeye bir alkol banyosu yıkanır ve sonraki bir UV fırında kür polimerizasyon9tam dönüşüm garanti altına almak için gerçekleştirilir.
Genel olarak, reçineler litografi tabanlı katkı maddesi üretimi için çok fonksiyonlu İnceltilebilen veya epoksitler10içeren photocurable sistemlerde güveniyor. Düşük maliyetli yenilenebilir reçineler kullanılabilirliğini atık-alerjik ve yerel üretim sürdürülebilir 3D ürün biobased ekonomi1 için kolaylaştırmak için gerekli ticari piyasada geçerli Fotopolimer reçineler fosil tabanlı ve pahalı, iken , 6. son zamanlarda, Fotopolimer reçineler yenilenebilir İnceltilebilen göre geliştirilmiş olup başarıyla uygulanan stereolitografi 3D yazdırma11,12'. Bu ayrıntılı iletişim kuralında, biz hızlı prototipleme biobased reçineler üzerinde bir ticari stereolitografi aparatı ile göstermek. Özel dikkat reçine formülasyonu ve sonrası yazdırma tedaviler katkı imalat alanında yeni uygulayıcıları yardımcı olmak için yordamda, Yani, kritik adımları ödenir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dikkat: Lütfen ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) kullanmadan önce danışın.
1. Photocurable reçine hazırlanması
Not: Lütfen aşağıdaki yordamı sırasında kişisel koruyucu ekipman (koruyucu gözlük, eldiven, önlük) kullanın. Daha fazla ayrıntı için önceki bizim iş12 bu bölümüne bakın.
- 50 g 1,10-decanediol diacrylate (SA5201) 500 mL Erlenmeyer flask dökün.
- 1.0 g ekleyin diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) fosfamin oksit (TPO) ve 2,5 - 0.40 gBIS(5 -tert-butil-benzoxazol-2-yl) tiyofen (BBOT) şişeye için.
- Şişeye bir mekanik karıştırıcı ile donatmak ve TPO ve BBOT akrilat monomer çözmek için oda sıcaklığında 5 min için 200 devirde karışımı ilave edin.
- 100 g pentaerythritol tetraacrylate ve çok fonksiyonlu epoksi akrilat 100 g ekleyin ( Tablo malzemelerigörmek) karışımı için.
- Karışımı 30 min 50 ° c homojen bir reçine sağlamak için 200 devirde ilave edin.
- Mekanik karıştırıcı kaldırmak ve şişeye bir tıpa ile uygun. Şişeye ışıktan biobased akrilat fotopolimer reçine (BAPR) korumak için alüminyum folyo sarılı.
Not: Protokol burada duraklatılmış. - Bir rheometer photoresin ile paralel-plaka geometri ile alt plaka kapak.
- 1 mm plakalar arasındaki boşluğu ayarla ve rheometer UV Işınlarına dayanıklı bir kukuleta ile kaplayın.
- Kesme hızlarında 0.1 100 s-1oda sıcaklığında reçine viskozite ölçmek; Örneğin,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 ve 100 s-1.
2. Stereolithographic 3D baskı ile Biobased İnceltilebilen
Not: daha fazla ayrıntı için önceki bizim iş12 bu bölümüne bakın.
- SLA 3D yazıcıyı açın ve açık modunu seçin.
- Model hazırlama yazılımı bir bilgisayarda başlatın. İstenen yazdırma ayarlarını seçin: malzeme (Clear), sürüm (V4) ve kalınlığı (50 µm).
- Karmaşık şekilli prototip, bir standart mozaik dili (.stl) dosyası dijital modeli açın (bkz. Ek kodlama dosyası) ve yapı platformu üzerinde yönlendirme ve konumunu seçin. Modeli hazırlık yazılımından yazdırma işi SLA 3D yazıcıya yükleyin.
Not: ürün mimari bağlı olarak, bir destek yapı yapı imalat sırasında stabilize etmek için 3D modeli entegre edilebilir. Karmaşık şekilli prototip aşağıda gösterildiği durumunda bir destek yapı yapı yön normal yazdırıldıysa gerekli değildir. - Biobased photoresin 200 mL reçine tankı dökün. 3D yazıcıyı açın ve reçine tankı düzgün monte edin.
- Yapı platform monte ve 3D yazıcıyı kapatın.
- Yazdırma işi başlatır.
- 3D yazıcının karmaşık şekilli prototip imal izin. Yazdırma işinin bitmesini yazıcıyı açın.
Not: yazdırmadan önce 3D yazıcı dümdüz edildi emin olun. Gösterdiği için UV Lazer dalga boyu 405 protokoldür nm. Yazdırma nesnesinin 2,5 h zamanı.
3. tedavi sonrası 3B nesnelerin yazdırılan
Not: Lütfen aşağıdaki yordamı sırasında kişisel koruyucu ekipman (koruyucu gözlük, eldiven) kullanın.
- Yazdırma işi tamamlandığında yazıcıyı açın. Yapı platformu bağlı üretilen parçalar ile alın ve yazıcıyı kapatın.
- İzopropil alkol ile dolu yıkama istasyonu açın ve yapı platformu yerleştirin. Yordam ve durulama için herhangi bir unreacted reçine kaldırmak 20 dk başlatın.
- Durulama yordamı tamamlandığında, yapı platformu çamaşır biriminden çıkarmak ve prototip yapı platformdan ayır.
- Hava bir prototip Kuru 30 dk için izin. Bu arada, 60 ° C'de UV fırın
Not: Ön ısıtma en az 15 dakika sürer. UV dalga fırın boyu 405 mi nm, SLA lazer dalga boyu aynı. - UV fırın açın ve hızlı bir şekilde prototip dönen platformda yer. 60 ° C'de tam dönüşüm sağlamak için 60 dk için cure UV fırın kapatın.
- Sonrası kür yordamı tamamlandığında, UV fırın açmak ve bir prototip.
4. karmaşık şekilli prototip yüzey morfolojisi karakterizasyonu
Not: daha fazla ayrıntı için önceki bizim iş12 bu bölümüne bakın.
- CA. 1 cm iç sarmal bir jilet kullanarak karmaşık şekilli prototipten kes.
- Çift taraflı karbon iletken teyp ile örnek sahibi örnek iliştirin.
- Görüntüleme önce örnek 30 kat nm Pt/Pd (80:20) sputtering bir sistemde.
- Örnek bir taramalı elektron mikroskobu 5 hızlanan bir gerilim çalışma eklemek kV. 30 X örnek birkaç görüntü ve 120 X büyütme elde etmek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dört temsilcisi reçine besteleri bileşenleri bireysel M.Ö türetilmiş Tablo 1, onların ortalama biobased karbon içerik ile birlikte (M.Ö.) görüntülenir. Reçine viskozite (Şekil 1) oranı akrilat monomerler ve reaksiyonlar tarafından etkilenir ve genellikle Newton davranışı gösterir. Mekanik özellikleri çeşitli reçineler üretilen parçaların stres gerginlik analiz tarafından belirlenmiştir. Şekil 2 E-modül ve gerilme kuvveti açısından evrensel bir test makinede temsilci sonucunu görüntüler. Sonrası yazdırma tedavinin ürün performansı üzerindeki etkisini Şekil 3' te tasvir edilir. Prototip şeklinde kompleks yumuşak yüzey ve yüksek özelliği çözünürlüğü elektron mikroskobu (Şekil 4) tarafından ortaya çıkıyor. Yüzey çatlama ölçüde ilk reçine viskozite ilgilidir.
| Reçine | TPO | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | M.Ö. |
| g/g | g/g | g/g | g/g | g/g | g/g | % | |
| 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 |
Tablo 1: R enewable akrilat reçine formülasyonu. Temsilcisi bioacrylate reçine, reçine kompozisyon ve biobased karbon içeriği gösteren özellikleri.
Şekil 1: 3D yazdırmadan önce yenilenebilir akrilat reçineler Rheological davranışını. Viskozite iyileşmemiş BAPR örnekleri için kesme hızı bir fonksiyonu olarak. (Telif hakkı 2018 Amerikan Kimya Birliği) izni ile adapte rakamdır. 12 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: mekanik performans 3D ürünlerin çeşitli bioresins tarafından stereolitografi cihazlar fabrikasyon. Gerilme Kuvveti (kırmızı) ve tedavi BAPRs üzerinden üretilen parçaların Young katsayısı (mavi). Çekme çubukları (ISO 527-2-1BA) yapı yön normale basıldı. Hata çubukları standart sapma gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3: mekanik performans 3D ürünlerin tedavi sonrası baskı etkisi. Çekme dayanımı üretilen parçaların çeşitli koşullar altında sonrası tedavi. Çekme çubukları (ISO 527-2-1BA) yapı yön normale basıldı. Hata çubukları standart sapma gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4: karmaşık şekilli prototip bir stereolitografi aparatı tarafından çeşitli bioresins fabrikasyon görsel ve mikroskobik gösterimi. (A) kale kule prototip fotoğraf baskılı BAPR-α (üst) ve SEM ile ilgili iç sarmal (alt) görüntüler. (B) kale kule prototip fotoğraf BAPR-β (üst) SEM görüntüleri karşılık gelen iç sarmal (alt) yazdırılır. (C) kale kule prototip fotoğraf BAPR-γ (üst) SEM görüntüleri karşılık gelen iç sarmal (alt) yazdırılır. (D) kale kule prototip fotoğraf BAPR-δ (üst) SEM görüntüleri karşılık gelen iç sarmal (alt) yazdırılır. İzni (telif hakkı 2018 Amerikan Kimya Birliği)12ile adapte rakamdır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Üretim kalıpları ve araçları gerek yok olduğundan yüksek üretim maliyetleri bölüm başına geleneksel süreçleri ile rekabet edebilecek katkı imalat imalatı terzi prototipleri ve küçük serisi, uygulanır. Son on yılda, hizmetleri ve ürünleri için katkı imalat ile ilgili gelirleri13katlanarak büyüdü. Büyük malzeme satış photopolymers bölümüdür. Büyüme dikkat çekti ve büyük sanayi, Örneğin, Havacılık ve uzay, otomotiv, medikal yatırımları. Bu nedenle, 3D baskı alanında gelecek yıllarda daha da genişletmek için bekleniyor.
Biz doğru ve isteğe bağlı bir stereolithographic 3D printerlere harcama maddeler üzerinde yenilenebilir Fotopolimer reçineler ile sürdürülebilir ürünler imalatı için verimli bir yöntem gösterdi. Düşük maliyetli biobased İnceltilebilen ana bileşeni olarak bu reçineler potansiyel maliyet-rekabetçi ticari karşılıkları ile ilgili olarak kullanır. Ayrıca, bioresin formülasyonları yazdırma işlemi, böylece ticari reçineler için uygulanan aynı yordam ve ayarları kullanarak standart bir SLA 3D başarıyla uygulandı. Viskozite akrilat reçine 3D yazdırma işleminde gerekli bir parametredir ve monomer oligomer oranı tarafından denetlenir. Genellikle, bir kesme hızı 100 s-1 yazdırma işlemi14,15dakika sonra sıvı reçine recoat sırasında elde edilir. Bu bölgedeki tüm bioresins 5 Pa·s (Şekil 1) aşağıda bir viskozite var ve stereolithographic basma tesisat uygulama için uygundur.
Katkı imalat litografi tabanlı, mükemmel yüzey kalitesi ve kesinlik ile karşılaştırıldığında FDM ve selektif lazer sinterleme (SLS)16,17kabul edilmektedir. Bu açıkça prototip (Şekil 4) şeklinde kompleks temsil eden fotoğraf ve mikroskobik görüntüleri tarafından gösterilmiştir. Aksine, üretilen parçaların mekanik özellikleri için SLA süreci18,19uygun malzeme sınırlı seçimi nedeniyle sınırlıdır. Akrilat sistemleri genel olarak kırılganlık ve zavallı darbe dayanımı yüksek crosslink yoğunluk ve inhomogeneous ağ mimarisi nedeniyle gösterir. Sonuç olarak, 3D baskı malzemeleri ticari ürünler12ile karşılaştırıldığında daha düşük olan yenilenebilir akrilat reçineler 2-8 MPa (resim 2), nihai bir gücüne sahip. Yine de, yıkama, kurutma, tedavi ve kür, sıcaklığı süresi değişen tarafından tedavi sonrası duruma getirilmesi (Şekil 3) mekanik performansında önemli bir gelişme yol açar.
Mikroskopik analiz yüksek özelliği çözünürlük ve mükemmel yüzey bitirme yüksek büyütme (Şekil 4) altında üretilen prototiplerin ortaya koymaktadır. Tırtıklı dikey kenarları sarmal maruz kalan bir katmanı üst katmanı8arka tarafına göre daha büyük bir UV doz aldığı katman katman SLA yazdırma işlemi ortaya. Uydurma bir prototip yüzey üzerinde gözlenen çatlaklar büzülme kuvvetleri işlem Kür UV geliştirilen kaynaklanabilir. Büzülme akrilat sistemlerindeki reçine viskozite20,21' e ters ilişkili bulunmuştur. Bu nedenle, (Şekil 4) çatlama ölçüde daha viskoz photoresins (Şekil 1) uygularken azalır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu çalışmada Proje 140413 bir parçası olarak GreenPAC polimer Uygulama Merkezi tarafından desteklenmiştir: "3D baskı üretiminde". Albert Hartman, Corinne van Noordenne kabul etmek istiyoruz, van Rens Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken ve Albert Woortman video çekim kolaylaştırmak için.
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).
