Stereolithographic 3D-utskrifter med förnybara akrylater
Summary
Ett protokoll för additiv tillverkning med förnybara fotopolymer hartser på en Stereolitografi apparatur presenteras.
Abstract
Tillgängligheten till kostnadsmässigt konkurrenskraftiga förnybara material och deras tillämpning i additiv tillverkning är avgörande för en effektiv biobaserade ekonomin. Vi visar den snabba prototyper av hållbar hartser med hjälp av en stereolithographic 3D-skrivare. Harts formulering sker genom enkel blandning av biobaserade akrylat monomerer och oligomerer med photoinitiatior och optiska absorbatorn. Harts viskositet styrs av monomeren oligomer förhållande och bestäms en reometer med parallella plattan geometri som en funktion av shear rate. En stereolithographic apparat debiteras med biobaserade hartser är anställd att producera komplexa formade prototyper med hög noggrannhet. Produkterna kräver en efter behandling, inklusive alkohol sköljning och UV-bestrålning, att säkerställa fullständig härdning. Hög funktion upplösning och utmärkt ytbehandling av prototyperna avslöjas av svepelektronmikroskopi.
Introduction
Rapid prototyping möjliggör behovsstyrd produktion och design frihet och tillåter effektiv tillverkning av 3D-konstruktioner i en lager-för-lager sätt1. Som ett resultat, har 3D-utskrifter som en fabrication teknik utvecklats snabbt i senare år2. Olika tekniker finns tillgängliga, alla förlitar sig på översättningen av virtuella modeller till fysiska objekt, och tillämpa processer såsom extrudering, direkt energi nedfall, pulver stelning, ark laminering och fotopolymerisation. Det senare innebär stegvis UV härdning av vätska fotopolymer hartser. 1986 utvecklade Hull och medarbetare stereolithography apparaten (SLA), en UV-laser-baserad 3D-skrivare. Mer nyligen, en liknande process som kallas digital light processing (DLP) har blivit tillgänglig, i vilka fotopolymerisation initieras av en ljus projektorn. Tillsammans, kallas DLP och SLA stereolithography 3D utskrift3.
SLA tillämpas högupplösta prototyptillverkning och tillverkning av biomedicinska enheter4,5. Denna teknik är överlägsen den allmänt använda smält nedfall modellering (FDM) när det gäller noggrannhet, ytbehandling och resolution6. Beroende på arkitekturen av produkten, är en stödstruktur integrerad i 3D-modellen att stabilisera konstruktionen under tillverkning. Dessutom är en efter utskrift behandling av tillverkade delar krävs7,8. Vanligtvis utskrivna objekt tvättas i en alkohol bad att upplösa oreagerad harts, och efterföljande härdning i ugn UV utförs för att garantera full konvertering av polymerisation9.
Hartser för litografi-baserad additiv tillverkning är i allmänhet beroende av photocurable system som innehåller multifunktionella akrylater eller epoxider10. Nuvarande fotopolymer hartser på den kommersiella marknaden är fossila och dyra, medan tillgången på billiga förnybara hartser som behövs för att underlätta avfallsfria och lokal tillverkning av hållbara 3D produkter för en biobaserade ekonomin1 , 6. nyligen, fotopolymer hartser baserat på förnybara akrylater utvecklades och tillämpats i Stereolitografi 3D utskrift11,12. I denna detaljerade protokoll visar vi den snabba prototyper med biobaserade hartser på en kommersiella stereolithography apparatur. Särskild uppmärksamhet ägnas åt kritiska steg i förfarandet, dvs harts formulering och efter utskrift behandlingar, för att hjälpa nya utövare inom additiv tillverkning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Additiv tillverkning används i tillverkning av skräddarsydda prototyper och mindre serier, när de högsta produktionskostnaderna per del kan konkurrera med konventionella processer eftersom det finns ingen anledning för tillverkning av formar och verktyg. Under det senaste decenniet, har intäkterna från tjänster och produkter relaterade till additiv tillverkning vuxit exponentiellt13. Den största fraktionen av Materialförsäljning är från polymerer. Tillväxt uppmärksammats och initier…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av GreenPAC Polymer Application Centre som en del av projektet 140413: ”3D-utskrift i produktionen”. Vi vill uppmärksamma Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken och Albert Woortman för att underlätta den video skjutning.
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).
