Name: Stéreolithographie impression 3D avec renouvelables Acrylates (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-09-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 28 s
Description: Découvrez la stéréolithographie avec résines photopolymères renouvelables pour la fabrication additive durable. Cette méthode permet l'impression 3D précise de produits écologiques à la demande.

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Cette étude a été financée par GreenPAC polymère Application Centre dans le cadre du projet 140413 : « impression 3D en Production ». Nous tenons à remercier Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken et Albert Woortman pour faciliter la prise de vue vidéo.

ATTENTION : Veuillez consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation.
1. préparation de la résine photodurcissable
NOTE : Veuillez utiliser les équipement de protection individuelle (gants, lunettes de sécurité, blouse de laboratoire) au cours de la procédure suivante. Voir nos anciens travaux12 pour plus de détails sur cette section.
<ol><li>Verser 50 g de diacrylate de 1,10-decanediol (SA5201) dans un erlenmeyer de 500 mL.</li>
	<li>Ajouter 1,0 g de diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) oxyde de phosphine (TPO) et 0,40 g de 2, 5 -bis(5 -tert-butyl-benzoxazol-2-yl) thiophène (BBOT) dans le ballon.</li>
	<li>Équiper la fiole avec un agitateur mécanique et remuez le mélange à 200 tr/min pendant 5 min à température ambiante afin de dissoudre les TPO et BBOT dans le monomère d’acrylate d’éthyle.</li>
	<li>Ajouter 100 g de tétraacrylate de pentaérythritol tétranitrate et 100 g d’acrylate multifonctionnel époxy (voir Table des matières) au mélange.</li>
	<li>Incorporer le mélange à 200 tr/min pendant 30 min à 50 ° C pour assurer une résine homogène.</li>
	<li>Enlever l’agitateur mécanique et monter le ballon avec un bouchon. Le flacon est emballé dans du papier d’aluminium pour protéger la résine de photopolymère biobased acrylate d’éthyle (BAPR) de la lumière. Remarque : Le protocole peut être suspendu ici.</li>
	<li>Couvrir la plaque de fond d’un rhéomètre à géométrie parallèle-plaque avec la photoresin.</li>
	<li>La valeur de l’écart entre les plaques à 1 mm et couvrir le rhéomètre avec un capuchon résistant aux UV.</li>
	<li>Mesurer la viscosité de la résine à la température ambiante à des vitesses de cisaillement de 0,1 à 100 s-1; par exemple,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 et 100 s-1.</li>
</ol>2. stéreolithographie impression 3D avec Biobased Acrylates
Remarque : Consultez nos anciens travaux12 pour plus de détails sur cette section.
<ol><li>Allumez l’imprimante 3D de SLA et sélectionnez le mode d’ouverture.</li>
	<li>Démarrez le logiciel de préparation de modèle sur un ordinateur. Choisir les paramètres d’impression désiré : matériel (Clear), version (V4) et épaisseur de la couche (50 µm).</li>
	<li>Ouvrez le modèle numérique du prototype en forme de complexe, un fichier de langue (.stl) pavage standard (voir la Fiche de codage supplémentaire) et choisissez l’emplacement et l’orientation sur la plateforme de génération.  Télécharger le travail d’impression à l’imprimante 3D SLA depuis le logiciel de préparation de modèle. Remarque : Selon l’architecture du produit, une structure de soutien peut être intégrée dans le modèle 3D pour stabiliser la construction pendant la fabrication. Le prototype de forme complexe démontré ici, dans le cas d’une structure d’appui n’est pas requise si imprimé perpendiculaires à la direction de la construction.</li>
	<li>Versez 200 mL de le photoresin biologique dans un réservoir de résine. Ouvrez l’imprimante 3D et monter le réservoir résine correctement.</li>
	<li>Installez la plate-forme construction et fermer l’imprimante 3D.</li>
	<li>Démarrer le travail d’impression.</li>
	<li>Laisser l’imprimante 3D fabriquer des prototypes de forme complexes.  N’ouvrez pas l’imprimante jusqu'à ce que le travail d’impression est terminé. Remarque : Avant d’imprimer, assurez-vous que l’imprimante 3D est nivelé. Pour le protocole démontré, la longueur d’onde du laser UV est de 405 nm. Le temps d’impression de l’objet est de 2,5 h.</li>
</ol>3. après le traitement de la 3D imprimé objets
Remarque : Utilisez les équipements de protection individuelle (lunettes, gants) au cours de la procédure suivante.
<ol><li>Lorsque le travail d’impression est terminé, ouvrez l’imprimante. Enlever la plate-forme de construction, avec les pièces produites attachés et fermer l’imprimante.</li>
	<li>Ouvrez la station de lavage, remplie de l’alcool isopropylique et insérez la plateforme de génération. Commencer la procédure et rincer pendant 20 min enlever toute résine n’a pas réagi.</li>
	<li>Lorsque la procédure de rinçage est terminée, retirer la plate-forme construction de la station de lavage et détacher les prototypes de la plate-forme de construction.</li>
	<li>Les prototypes à l’air laisser sécher pendant 30 min. Entre-temps, Préchauffer le four UV à 60 ° C. Remarque : Préchauffage prendra au moins 15 min. La longueur d’onde UV du four est de 405 nm, identique à la longueur d’onde du laser SLA.</li>
	<li>Ouvrez le four UV et placer rapidement des prototypes sur la plate-forme tournante. Fermer le four UV et la guérison pendant 60 min à 60 ° C pour assurer une conversion complète.</li>
	<li>Lorsque la procédure après polymérisation est terminée, ouvrez le four UV et retirer les prototypes.</li>
</ol>4. caractérisation de la morphologie de Surface des Prototypes de formes complexes
Remarque : Consultez nos anciens travaux12 pour plus de détails sur cette section.
<ol><li>Couper env. 1 cm d’hélice interne du prototype de forme complexe à l’aide d’une lame de rasoir.</li>
	<li>Fixer l’échantillon sur le porte-échantillon avec auto-ADHESIF double face carbone.</li>
	<li>Avant l’imagerie, enrober l’échantillon avec 30 nm Pt et du perfectionnement professionnel (80/20) sur un système de pulvérisation.</li>
	<li>Introduire l’échantillon dans un microscope électronique fonctionnant à une tension d’accélération de 5 kV. Acquérir plusieurs images de l’échantillon à 30 X et 120 X grossissement.</li>
</ol>

<ol><li>Van Wijk, A., van Wijk, I. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVan+Wijk%2C+A+%223D+Printing+with+Biomaterials%3A+Towards+a+Sustainable+and+Circular+Economy%22">3D Printing with Biomaterials: Towards a Sustainable and Circular Economy</a>. , IOS Press. Amsterdam. (2015).</li>
<li>Gross, B. C., Erkal, J. L., Lockwood, S. Y., Chen, C., Spence, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+3D+Printing+and+Its+Potential+Impact+on+Biotechnology+and+the+Chemical+Sciences%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Evaluation of 3D Printing and Its Potential Impact on Biotechnology and the Chemical Sciences.</a> Analytical Chemistry. 86, 3240-3253 (2014).</li>
<li>Chia, H. N., Wu, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+in+3D+printing+of+biomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biological+Engineering%22%5BJournal%5D)">Recent advances in 3D printing of biomaterials.</a> Journal of Biological Engineering. 9, 4(2015).</li>
<li>Mechels, F. P. W., Feijen, J., Grijpma, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+on+stereolithography+and+its+applications+in+biomedical+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering.</a> Biomaterials. 31, 6121-6130 (2010).</li>
<li>Skoog, S. A., Goering, P. L., Narayan, R. J. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24306145">Stereolithography in tissue engineering.</a> Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 25, 845-856 (2014).</li>
<li>Bhatia, S. K., Ramadurai, K. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBhatia%2C+SK+%223D+Printing+and+Bio-Based+Materials+in+Global+Health%22">3D Printing and Bio-Based Materials in Global Health</a>. , Springer. Cham. (2017).</li>
<li>Oskui, S. M., Diamante, G., Liao, C., Shi, W., Gan, J., Schlenk, D., Grover, W. H. <a target="_blank" href="https://cdn-pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.5b00249">Assessing and Reducing the Toxicity of 3D-Printed Parts.</a> Environmental Science & Technology Letters. 3, 1-6 (2016).</li>
<li>Gong, H., Beauchamp, M., Perry, S., Woolley, A. T., Nordin, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+approach+to+resin+formulation+for+3D+printed+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22RSC+Advances%22%5BJournal%5D)">Optical approach to resin formulation for 3D printed microfluidics.</a> RSC Advances. 5, 106621-106632 (2015).</li>
<li>Zarek, M., Layani, M., Cooperstein, I., Sachyani, E., Cohn, D., Magdassi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+of+shape+memory+polymers+for+flexible+electronic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">3D printing of shape memory polymers for flexible electronic devices.</a> Advanced Materials. 28, 4449-4454 (2016).</li>
<li>Ligon-Auer, S. C., Schwentenwein, M., Gorsche, C., Stampfl, J., Liska, R. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/py/c5py01631b">Toughening of photo-curable polymer networks: A review.</a> Polymer Chemistry. 7, 257-286 (2016).</li>
<li>Miao, S., Zhu, W., Castro, N. J., Nowicki, M., Zhou, X., Cui, H., Fisher, J. P., Zhang, L. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4D+printing+smart+biomedical+scaffolds+with+novel+soybean+oil+epoxidized+acrylate%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">4D printing smart biomedical scaffolds with novel soybean oil epoxidized acrylate.</a> Scientific Reports. 6, 27226(2016).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsomega.7b01648">Biobased acrylate photocurable resin formulation for stereolithographic 3D printing.</a> ACS Omega. 3, 1403-1408 (2018).</li>
<li>Ligon-Auer, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., Mülhaupt, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymers+for+3D+Printing+and+Customized+Additive+Manufacturing%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">Polymers for 3D Printing and Customized Additive Manufacturing.</a> Chemical Reviews. 117, 10212-10290 (2017).</li>
<li>Weng, Z., Zhou, Y., Lin, W., Senthil, T., Wu, L. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X16301725">Structure-property relationship of nano enhanced stereolithography resin for desktop SLA 3D printer.</a> Composites: Part A. 88, 234-242 (2016).</li>
<li>Scalera, F., Esposito Corcione, C., Montagna, F., Sannino, A., Maffezzoli, A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884214010165">Development and characterization of UV curable epoxy/hydroxyapatite suspensions for stereolithography applied to bone tissue engineering.</a> Ceramics International. 40, 15455-15462 (2014).</li>
<li>Lee, H., Fang, N. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro+3D+Printing+using+a+digital+projector+and+its+application+in+the+study+of+soft+materials+mechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Micro 3D Printing using a digital projector and its application in the study of soft materials mechanics.</a> Journal of Visualized Experiments. (69), e4457(2012).</li>
<li>Huemer, K., Squirrell, J. M., Swader, R., Pelkey, K., LeBert, D. C., Huttenlocher, A., Eliceiri, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-term+live+imaging+device+for+improved+experimental+manipulation+of+zebrafish+larvae%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Long-term live imaging device for improved experimental manipulation of zebrafish larvae.</a> Journal of Visualized Experiments. (128), e56340(2017).</li>
<li>Decker, C. <a target="_blank" href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pi.821">Light-induced crosslinking polymerization.</a> Polymer International. 51, 1141-1150 (2002).</li>
<li>Elliot, J. E., Bowman, C. N. <a target="_blank" href="https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1081/PRE-120002902">Predicting network formation of free radical polymerization of multifunctional monomers.</a> Polymer Reaction Engineering. 10, 1-19 (2002).</li>
<li>Ellakwa, A., Cho, N., Lee, I. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+resin+matrix+composition+on+the+polymerization+shrinkage+and+rheological+properties+of+experimental+dental+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Dental+Materials%22%5BJournal%5D)">The effect of resin matrix composition on the polymerization shrinkage and rheological properties of experimental dental composites.</a> Dental Materials. 23, 1229-1235 (2007).</li>
<li>Charton, C., Falk, V., Marchal, P., Pla, F., Colon, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+Tg%2C+viscosity+and+chemical+structure+of+monomers+on+shrinkage+stress+in+light-cured+dimethacrylate-based+dental+resins%5BTitle%5D)+AND+%22Dental+Materials%22%5BJournal%5D)">Influence of Tg, viscosity and chemical structure of monomers on shrinkage stress in light-cured dimethacrylate-based dental resins.</a> Dental Materials. 23, 1447-1459 (2007).</li>
</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Fabrication additive est appliquée dans la fabrication de prototypes sur mesure et de petites séries, lorsque les coûts de production plus élevés chaque partie ne peuvent rivaliser avec les procédés classiques puisqu’il n’y a pas besoin pour la production de moules et d’outils. Au cours de la dernière décennie, les revenus provenant des services et produits liés à la fabrication additive ont connu une croissance exponentielle13. La fraction la plus importante des ventes de matériel provient des ph...

Prototypage rapide permet la liberté de conception et de production à la demande et permet que la fabrication efficace de 3D construit dans une couche-par-couche façon1. Par conséquent, l’impression 3D comme une technique de fabrication s’est développée rapidement ces dernières années2. Diverses technologies sont disponibles, tout en s’appuyant sur la traduction de modèles virtuels en objets physiques et en appliquant des processus tels que l’extrusion, dépôt d’énergie directe, solidification de poudre, laminage de tôles et photopolymérisation. Le second fait intervenir par étapes UV de polymérisation des résines de photopolymère liquide. En 1986, Hull et ses collègues ont développé l’appareil de stéréolithographie (SLA), une imprimante 3D par laser UV. Plus récemment, un processus similaire appelé digital light processing (DLP) est devenu disponible, dans laquelle photopolymérisation est initiée par un projecteur de lumière. Ensemble, DLP et SLA sont dénommés stéréolithographie 3D impression3.
SLA est appliquée en haute résolution prototypage et fabrication de dispositifs biomédicaux4,5. Cette technologie est supérieure à la déposition fusionnée couramment modeling (FDM) en termes de précision, la finition de surface et6de la résolution. Selon l’architecture du produit, une structure de soutien est intégrée dans le modèle 3D pour stabiliser la construction pendant la fabrication. En outre, un traitement après impression des pièces fabriquées est obligatoire,7,8. En règle générale, les objets imprimés sont lavés dans un bain d’alcool pour dissoudre la résine n’a pas réagi et durcissement ultérieur dans un four UV est effectué afin de garantir une conversion totale de la polymérisation9.
En général, résines pour la fabrication additive axée sur la lithographie reposent sur des systèmes de photodurcissable contenant les acrylates ou époxydes multifonctions10. Résines de photopolymère actuelle sur le marché commercial sont fossile et coûteux, tandis que la disponibilité de résines renouvelables peu coûteux est nécessaire pour faciliter la fabrication locale et sans déchets de produits 3D durables pour une économie de biobased1 , 6. récemment, résines de photopolymère issus des acrylates renouvelables élaborés et appliqués avec succès dans la stéréolithographie 3D impression11,12. Dans ce protocole détaillé, nous démontrons la prototypage rapide avec des résines biobased sur un appareil commercial de stéréolithographie. Est une attention particulière à des étapes cruciales dans la procédure, c'est-à-dire, traitements de formulation et après impression résine, pour aider les nouveaux praticiens dans le domaine de la fabrication additive.

<table><tbody><tr><td>Acrylate d’isobornyle&nbsp ;</td><td>Sartomer</td><td>SA5102</td><td>Acrylate monomère</td></tr><tr><td>1,10-décanediol diacrylate</td><td>Sartomer</td><td>SA5201</td><td>Acrylate monomère</td></tr><tr><td>Pentaérythritol tétraacrylate</td><td>Sartomère</td><td>SA5400</td><td>Acrylate monomère</td></tr><tr><td>époxy multifonctionnel</td><td>Sartomer</td><td>SA7101</td><td>Acrylate oligomère</td></tr><tr><td>Diphényl(2,4,6-triméthylbenzoyl) oxyde de phosphine (TPO), 97 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>415952 Photoinitiateur</td></tr><tr><td>2,5-bis(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl)thiophène (BBOT), 99 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>223999</td><td>Absorbeur optique</td></tr><tr><td>Alcool isopropylique (IPA), 99 %</td><td>Bleko</td><td>1010500</td><td>Pour bain d’alcool (appliqué en Form Wash)</td></tr><tr><td>Paar Physica MCR300&nbsp ;</td><td>Rhéomètre Anton Paar</td><td></td> <td>avec géométrie de plaque parallèle</td></tr><tr><td>Imprimante Form 2</td><td>Formlabs-Desktop</td><td></td> <td>SLA Imprimante 3D</td></tr><tr><td>Form Wash&nbsp ;</td><td>Formlabs-Station</td><td></td> <td>de lavage</td></tr><tr><td>Form Cure</td><td>Formlabs-Four</td><td></td> <td>UV</td></tr><tr><td>Instron 4301 1KN Série IX</td> Machine <td>d’essai</td><td>Instron-Universal</td><td></td></tr> <tr><td>Philips XL30 ESEM-FEG&nbsp ;</td><td></td><td>Microscope électronique</td> <td>à balayage Philips</td></tr></tbody></table>

stéreolithographie impression 3d avec renouvelables acrylates

Stereolithographic 3D Printing with Renewable Acrylates

L’accessibilité des matières renouvelables compétitives et leur application dans la fabrication additive est essentielle pour une économie biologique efficace. Nous démontrons le prototypage rapide de résines durables à l’aide d’une imprimante 3D stéreolithographie. Formulation de résine s’effectue par simple mélange de biobased acrylate monomères et oligomères avec un photoinitiatior et un absorbeur d’optique. Viscosité de la résine est contrôlée par le monomère ratio oligomère et est déterminée en fonction de la vitesse de cisaillement par un rhéomètre avec géométrie de plaques parallèles. Un appareil de stéreolithographie chargé avec les résines biobased est employé pour produire des prototypes en forme complexes avec une grande précision. Les produits nécessitent un traitement post, y compris le rinçage de l’alcool et aux rayons UV, afin d’assurer une polymérisation complète. La résolution haute fonctionnalité et une excellente surface de finition des prototypes est révélée par la microscopie électronique à balayage.

Quatre compositions de résine représentant sont affichées dans le tableau 1, ainsi que leur teneur en carbone moyen biologique (BC) dérivé de la BC individuel des composants. La viscosité de la résine (Figure 1) est influencée par le rapport de l’acrylate d’éthyle monomères et oligomères et montre généralement comportement newtonien. Les propriétés mécaniques des pièces fabriquées à base de résines diverses ont été déterminées par l’analyse d...

Un protocole de fabrication additive avec des résines de photopolymère renouvelables sur un appareil de stéréolithographie est présenté.

Stéreolithographie impression 3D avec renouvelables Acrylates

The accessibility of cost-competitive renewable materials and their application in additive manufacturing is essential for an efficient biobased economy. ...

Cette méthode peut aider à comprendre des sujets clés dans le domaine de la fabrication additive, tels que la formulation de résine et le traitement post-impression. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet la fabrication précise et à la demande de produits durables. Cette méthode donnera un aperçu de la stéréolithographie basée sur le laser, mais elle peut également être appliquée à d’autres techniques d’impression 3D telles que le traitement numérique de la lumière.Pour commencer, versez 50 grammes de diacrylate de 1,10-décanediol dans un erlenmeyer de 500 millilitres. Ajouter 1,0 gramme de TPO et 0,40 gramme de BBOT dans la fiole. Equipez l’Erlenmeyer d’un agitateur mécanique et remuez le mélange à 200 tr/min pendant cinq minutes à température ambiante afin de dissoudre le TPO et le BBOT dans l’acrylate monomère.Ajoutez 100 grammes de tétraacrylate de pentaérythritrol et 100 grammes d’acrylate époxy multifonctionnel au mélange. Maintenant, remuez le mélange à 200 tr/min pendant 30 minutes à 50 degrés Celsius pour assurer une résine homogène. Retirez l’agitateur mécanique et montez le ballon avec un bouchon.Enveloppez le flacon dans une feuille d’aluminium pour

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