3D打印生物基树脂:快速成型的突破

来自考纳斯工业大学(KTU)和维尔纽斯大学(VU)的立陶宛研究人员合成并测试了用于光学3D打印(O3DP)的生物基树脂。事实证明,由可再生原料制成的生物基树脂对于台式3D打印机和最先进的超快激光都是通用的,适用于从纳米到宏观尺寸的O3DP。据研究人员表示这是单一光敏树脂的独特性能。该成果以“A Bio-Based Resin for a Multi-Scale Optical 3D Printing”一文发表于Nature。

生物基聚合物正在替代石油衍生的聚合物。仅在欧洲,生物塑料的产量和市场份额就增长就是2.05百万吨和7,000亿欧元。与传统塑料相比,生物基塑料产品的主要优势是通过使用生物质来保护化石资源,生物质是一种可再生资源,并具有碳中和的独特潜力以及可以在产品寿命结束时提供额外回收手段的某类具有生物可降解性的生物塑料。生物基塑料的使用范围从纳米复合材料和薄膜到吸附剂等。由于植物油易于获得、固有的生物降解性、可忽略的毒性以及可修饰的官能团的存在,因此它们是制备聚合物的潜在原料。如今,有许多科学研究致力于光诱导聚合。由于存在这种技术的各种技术实现,因此以许多名称众所周知:光刻(立体光刻,数字光处理(DLP)/投影光刻),直接激光写入(DLW)或可替代的激光直接写入(LDW),双光子聚合(2PP),非线性光刻(NLL),多光子光刻(MPL)等。但是,这种增材制造工艺可以简单地用一个通用名称来称呼:基于光子的光学3D打印(O3DP; optical 3D printing)。

这种快速的原型制作工具作为高效和低浪费的生产工具的选择而被开发的,但目前主要与石油衍生的树脂相关联。一方面,O3DP与后处理(热处理)相结合,可以制造自由形式的结构,该结构可以用作实现纯玻璃、陶瓷、金属和晶体对象的3D模板。另外,O3DP提供了灵活的多尺度(多维)层次结构的制造,这可以加快打印速度,种技术使3D打印非常灵活和精确,元素可以达到亚微米,也可以达到宏观尺寸,以适合各种实际应用。根据之前的研究成果光辅助3D制造技术,显示了其在先进材料工程,快速原型制作和柔性生产中的无限潜力。O3DP的主要缺点与印刷材料的局限性有关,它们原本的物理和化学性质使得该树脂不适用于所有设置。

在该研究中,研究人员采用了一种从大豆中提取的单一生物基树脂,适用于从纳米(几百纳米)到宏观尺寸(厘米)的O3DP。此外,优化脉冲曝光可以将树脂纯净地加工(无需添加任何光引发剂(PI))。

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在VU研究人员进行的实验过程中,使用最先进的激光纳米光刻设备和常见的台式三维纳米打印机,对生物基化合物进行了多规模光学3D打印。 此外,象棋一样的人物是在工业生产线上进行的,商业上提供小批量生产服务(3D Creative)。事实证明,基于生物的光树脂无需任何进一步修改即可适用于所有应用。根据Malinauskas博士的看法,这是任何一种光敏树脂的独特属性(无论其来源如何)。

3D打印生物基树脂:快速成型的突破
图解:(g)“汽车”模型:v = 1.8 mm / s,dxy = 0.15μm;(h)“塔式”模型:v = 1.2 mm / s,dxy = 0.15μm;(i)“ Marvin”模型:v = 1.2 mm / s,dxy = 0.25μm

新型的生物基光敏树脂是由考纳斯工业大学(KTU)开发的。由KTU高分子化学与技术系工作的研究小组由Jolita Ostrauskaite博士领导,设计了用于光学3D打印的光固化树脂配方,并对它们的流变,机械,热性能进行了合成、表征和研究。

Ostrauskaite博士表示目前,只有可用于热3D打印技术的热塑性生物基聚合物在市场上有售。KTU科学家开发了一种可用于光学3D打印的生物基光固化树脂。生物基光固化树脂用于此类技术的树脂目前市场上尚无供应。据她介绍,新型生物基光固化树脂的最大优势是能够从可再生原料中获得其成分,此外,这些成分可以大量购买。

尽管新型的基于生物的光敏树脂尚未商业化,但研究人员声称,由于它与JSC 3D Creative的商业设置兼容,因此可以立即用于工业生产线。由于开发的材料仍然非常新,因此需要对其进行安全,经济的工业使用进行进一步研究。

这种生态创新在InterReg项目EcoLabNet(由RDI和SME组成的波罗的海地区网络)中得到了进一步的发展。

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