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立陶宛从大豆中提取出一种环保的3D打印生物树脂

2020年6月23日,南极熊从外媒获悉,维尔纽斯大学和考纳斯理工大学的研究人员开发出了一种环保、可回收的树脂,用于光固化3D打印(O3P)工艺。

这种生物树脂源自大豆,满足了3D打印中使用的传统聚合物的技术、功能和耐久性要求,同时以较低的成本提高了生物兼容性。这种新的生物材料可用于小批量生产服务,使O3DP制造走向采用生物基树脂,而不是不可回收的石油衍生光聚合物。

DLP测试过程,图片来自《科学报告》

3D打印中光聚合物环保的替代品

生物基聚合物由于其碳中和、生物降解和可回收性,越来越多地被3D打印行业采用,作为光聚合物的替代品。例如,植物油广泛存在,可作为许多聚合物替代品的起始材料,同时显示出固有的可降解性和低毒性。同时,O3DP工艺也被开发出来,作为实现低废物生产的一种方法,但许多方法仍然依赖于石油衍生的树脂。

O3DP制造方法具有许多优点,如其集成了后处理技术,可以制造自由形状的结构,作为生产纯玻璃、陶瓷和金属物体的3D模板。此外,该生产技术还可以灵活地制造多维、分层或任意结构,这在一定范围内加速了3D打印工艺的应用。

为了继续收获O3DP打印的好处,尽管是以一种更环保的方式,立陶宛的研究人员设计了他们的新生物聚合物。这种由大豆提取物构建的树脂适用于从纳米(数百纳米)到宏观尺寸(厘米)的O3DP。此外,通过优化打印过程中的脉冲曝光,该树脂可以进行纯粹的加工,而无需添加任何人工光引发剂(PI)。

图片显示了使用新型生物树脂可以实现的空间分辨率和应用,图片来自《科学报告》

环保树脂的测试和分析

根据不同的应用,树脂需要不同的照射强度和可实现的分辨率,该团队选择了丙烯酸化环氧大豆油(AESO)来展示生物基树脂在O3DP中的适用性。例如,大多数桌面3D打印机都兼容丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯树脂,用于宏观尺度物体的原型制作。

同时,AESO材料的优势在于,它适合制造跨越五个数量级的物体。此外,据研究人员介绍,他们的生物树脂之所以适合采用O3DP方法,不仅仅是因为没有PIs等吸光化合物。材料的最终化学配方、物理特性、粘度和反应机制,对决定其3D光结构品质和可回收性也有重要影响。

在标准的Formlabs Form 2光学系统上使用投影仪(DLP)3D打印,立陶宛团队制作了一系列不同比例的基准样品。这些模型包括两个被命名为 "塔 "和 "马文 "的国际象棋风格的作品,一个非线性光刻(NLL)打印的脚手架结构,以及外部尺寸达到数百μm、单个特征只有几μm的光栅。据团队介绍,这些部件的特性证明了他们的树脂除了适合快速原型制造外,还适合按需提供小批量的商业化生产服务。

立陶宛研究人员制作了一系列3D打印模型,以展示他们新树脂的品质(如图),图片来自《科学报告》

Asiga Pico2 39 UV和Autodesk Ember DLP 3D打印机被总结用于测试定制树脂的线性吸收和对宏观增材制造的适用性。打印的对象显示出与使用聚合物树脂生产的类似的层厚,额外的NLL测试使用了常见的激光光刻设置,方便3D打印精确的毫米级原型。此外,还展示了特征尺寸小于1μm的周期性结构的精细制造,这意味着生产并不局限于庞大的单片物体。

总的来说,AESO树脂与现有的O3DP树脂相比具有明显的性能优势,因为它可以用DLP或NLL打印加工,同时保持了60%以上的生物可再生碳。此外,通过将AESO与稀释剂和PIs混合,AESO的流变性和光学特性很容易被改变,使得该团队能够从单一材料中生产出多尺度(从数百纳米到厘米)的物体。

AESO树脂的机械性能,如其弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率等,目前仍在研究中,据研究小组介绍,研究结果将另行公布。尽管如此,该树脂所表现出的与一系列O3DP技术的兼容性,可以从根本上使桌面3D打印机所有者制造产品变得更简单、更实惠,而且是以更环保的方式。

研究人员的研究结果详见他们于2019年6月16日发表在《科学报告》杂志上的题为 "A Bio-Based Resin for a Multi-Scale Optical 3D Printing "的论文。该报告由Edvinas Skliutas、Migle Lebedevaite、Sigita Kasetaite、Sima Rek tyt 、Saulius Lileikis、Jolita Ostrauskaite和Mangirdas Malinauskas共同撰写。

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