Stereolithographic 3D printen met hernieuwbare acrylaten
Summary
Een protocol voor additieve productie met hernieuwbare fotopolymeer harsen op een stereolithography-apparaat wordt gepresenteerd.
Abstract
De toegankelijkheid van kosten concurrerende hernieuwbare materialen en hun toepassing in additive manufacturing is essentieel voor een efficiënte biogebaseerde economie. We tonen de rapid prototyping van duurzame harsen met behulp van een 3D-printer van stereolithographic. Hars formulering vindt plaats door het eenvoudig mengen van biobased acrylaat monomeren en oligomeren met een photoinitiatior en optische absorber. Hars viscositeit wordt gecontroleerd door het monomeer, oligomeer verhouding en als een functie van shear rate wordt bepaald door een rheometer met parallelle plaat geometrie. Een stereolithographic apparaat belast met de biobased harsen wordt gebruikt voor de productie van complexe gevormde prototypes met hoge nauwkeurigheid. De producten vereisen een nabehandeling, met inbegrip van alcohol spoelen en UV-bestraling, om ervoor te zorgen volledige genezing. De functie van de hoge resolutie en uitstekende oppervlakte afwerking van de prototypes is geopenbaard door scanning elektronen microscopie.
Introduction
Snelle prototypering kunt op afroep productie en ontwerp vrijheid en kunt dat de efficiënte productie van 3D bouwt in een laag-voor-laag manier1. Dientengevolge, 3D printen als een fabricage techniek heeft zich snel ontwikkeld in de afgelopen jaren2. Verschillende technologieën zijn beschikbaar, allemaal afhankelijk van de vertaling van virtuele modellen in fysieke voorwerpen en het toepassen van processen zoals extrusie, direct-energy depositie, poeder stollen, blad lamineren en photopolymerization. Deze betrekking heeft op stapsgewijze UV-uithardende van vloeibare fotopolymeer harsen. In 1986 ontwikkelde romp en collega’s de stereolithography apparaten (SLA), een UV laser gebaseerde 3D-printer. Meer recentelijk, een soortgelijk proces genaamd digital light processing (DLP) beschikbaar zijn gekomen, in welke photopolymerization wordt geïnitieerd door een lichte projector. Samen, worden DLP- en SLA aangeduid als stereolithography 3D printen3.
SLA wordt toegepast in hoge resolutie prototyping en fabricage van biomedische apparaten4,5. Deze technologie is superieur aan de gebruikte gesmolten deposition modeling (FDM) in termen van nauwkeurigheid, oppervlak afwerking en resolutie6. Afhankelijk van de architectuur van het product, is een ondersteunende structuur geïntegreerd in het 3D-model te stabiliseren van de constructie tijdens de fabricage. Een post afdrukken behandeling van vervaardigde onderdelen is bovendien vereist7,8. Meestal afgedrukte objecten worden gewassen in een alcohol Bad te ontbinden spoorverontreiniging hars, en latere geneeskunst in UV oven is uitgevoerd om het garanderen van volledige conversie van de polymerisatie-9.
Harsen voor litho gebaseerde additieve productie is in het algemeen, afhankelijk van photocurable systemen met multifunctionele acrylaten of epoxiden10. Huidige fotopolymeer harsen op de commerciële markt zijn op basis van fossiele en duur, terwijl de beschikbaarheid van goedkope hernieuwbare harsen is nodig om een afvalvrije en lokale productie van duurzame 3D producten voor een biobased economie1 , 6. onlangs, fotopolymeer harsen op basis van hernieuwbare acrylaten werden ontwikkeld en met succes toegepast in stereolithography 3D-afdrukken11,12. In dit gedetailleerde protocol tonen we de snelle prototyping met biobased harsen op een commerciële stereolithography-apparaat. Speciale aandacht is besteed aan kritische stappen in de procedure, dat wil zeggen, hars formulering en na afdrukken behandelingen, om te helpen nieuwe vaklieden op het gebied van additieve productie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Additieve productie wordt toegepast in de fabricage van op maat gemaakte prototypen en kleine series, wanneer de hogere productiekosten per deel concurreren met conventionele processen, kunnen want er geen noodzaak voor de productie van mallen en hulpmiddelen is. In het laatste decennium, hebben de inkomsten uit diensten en producten in verband met additieve productie exponentieel gegroeid13. De grootste fractie van materiële verkoop is van fotopolymeren delen bevinden. De groei trok de aandacht …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door GreenPAC polymeer Application Centre als onderdeel van het Project 140413: “3D Printing in productie”. Wij zouden willen erkennen Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken en Albert Woortman voor het vergemakkelijken van het video ontspruiten.
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 |
Riferimenti
- 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).
