Stereolithographic 3D udskrivning med vedvarende akrylater
Summary
En protokol for tilsætningsstof fremstillingsindustrien med vedvarende photopolymer harpiks på et stereolithography apparat præsenteres.
Abstract
Tilgængelighed af omkostningseffektive vedvarende materialer og deres anvendelse i tilsætningsstof fremstillingsindustrien er afgørende for en effektiv biobaserede økonomi. Vi demonstrere rapid prototyping af bæredygtig harpikser ved hjælp af en stereolithographic 3D printer. Harpiks formulering finder sted ved enkel blanding af biobaserede acrylat monomerer og oligomerer med en photoinitiatior og optiske absorber. Harpiks viskositet styres af monomere oligomer forhold og bestemmes som funktion af shear rate af en rheometer med parallelle plade geometri. Et stereolithographic apparat anklaget biobaserede harpiks er ansat til at producere komplekse formet prototyper med stor nøjagtighed. Produkterne, der kræver en efterbehandling, herunder alkohol skylning og UV-bestråling, at sikre komplet hærdning. Høj feature opløsning og fremragende overfladebehandling af prototyperne er afsløret af scanning Elektron Mikroskopi.
Introduction
Rapid prototyping muliggør video-on-demand-produktion og design frihed og giver mulighed for effektiv fremstilling af 3D konstruktioner i et lag på lag måde1. Som et resultat, har 3D udskrivning som en fabrikation teknik udviklet sig hurtigt i de seneste år2. Forskellige teknologier er tilgængelige, alt afhængig af oversættelse af virtuelle modeller til fysiske objekter og anvende processer såsom ekstrudering, direkte energi deposition, pulver størkning, ark laminering og photopolymerization. Sidstnævnte indebærer trinvis UV hærdning af flydende photopolymer harpiks. I 1986 udviklet skrog og kollegaer stereolithography apparatur (SLA), en UV laser-baseret 3D printer. For nylig er en lignende proces, der kaldes digital light processing (DLP) blevet tilgængelig, i hvilken photopolymerization er indledt af en lys projektor. Sammen, er DLP og SLA benævnt stereolithography 3D udskrivning3.
SLA er anvendt i høj opløsning prototyping og opdigte biomedicinsk enheder4,5. Denne teknologi er overlegen i forhold til den udbredte sammenvoksede deposition modellering (FDM) med hensyn til nøjagtighed, overfladefærdigbehandling og resolution6. Afhængigt af arkitektur af produktet, er en støttestruktur integreret i 3D-modellen til at stabilisere konstruktionen under fabrikation. En post udskrivning behandling af fremstillede dele er Derudover kræves7,8. Typisk, trykte objekter er vasket i en alkohol bad til at opløse ureageret harpiks, og efterfølgende hærdning i ovn UV udføres for at sikre fuld konvertering af polymerisering9.
I almindelighed, stole harpiks til litografi-baserede additive manufacturing på photocurable systemer indeholdende multifunktionelle akrylater eller Epoxider10. Nuværende photopolymer harpiks på det kommercielle marked er fossile og dyre, mens tilgængeligheden af billig vedvarende harpiks er nødvendig for at lette spild-fri og lokale produktion af bæredygtige 3D produkter for et biobaseret økonomi1 , 6. for nylig photopolymer harpiks baseret på vedvarende akrylater blev udviklet og anvendt med succes i stereolithography 3D udskrivning11,12. I denne detaljerede protokollen vise vi rapid prototyping med biobaserede harpiks på en kommerciel stereolithography apparater. Der lægges særlig vægt til kritiske faser i proceduren, dvs., harpiks formulering og efter udskrivning behandlinger til at hjælpe nye udøvere inden for tilsætningsstof fremstillingsindustrien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Additive manufacturing anvendes i fremstilling af skræddersyede prototyper og mindre serier, når de højere produktionsomkostninger pr. del kan konkurrere med konventionelle processer, da der er ikke behov for produktion af forme og værktøjer. I det sidste årti, er indtægter fra tjenesteydelser og produkter i relation til tilsætningsstof fremstillingsindustrien vokset eksponentielt13. Den største del af materielle salg er fra polymerer trykområdet. Væksten tiltrak opmærksomhed og indled…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af GreenPAC Polymer ansøgningscenter som led i projekt 140413: “3D udskrivning i produktion”. Vi vil gerne anerkende Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken og Albert Woortman for at lette den video optagelse.
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).
