sind die Chancen gut, dass, wenn Sie eine 3D-Druck gemacht haben, es Fused Deposition Modelling Vielfalt der Standard war. FDM ist ziemlich einfach Sachen – ein wenig Kunststofffaden heiß genug bekommen, drücken Sie die geschmolzene Schmiere aus einer feinen Düse, steuert die Position der Düse mehr oder weniger genau in drei Dimensionen, und wiederholen Sie stundenlang, bis der Druck erfolgt . Für den Außen sieht es aus wie Magie, aber für uns ist es nur ein weiterer Samstagnachmittag.
Harzdruck ist eine ganz andere Sache, und viel näher an Magie für die meisten von uns. Die aktuelle Ernte von stereolithographischen Druckern hat nur einen hochauflösende LCD-Display zwischen einer UV-Lichtquelle und ein Build Tank mit einem transparenten Boden. Diese Drucke werden durch Schichtschicht durch Flashen UV Lichtmuster in den Tank als Einbauplatte langsam hebt von dem Harz, wie ein Tier aus der primordialen Goo Schwellen up aufgebaut.
Natürlich ist es alles nur Wissenschaft, aber wenn es eine Magie in SLA-Druck ist, sicher ist es in den dafür verwendeten Harze. Ihre unscheinbare braune Plastikflaschen und informationsarmen Etiketten geben wenig Ahnung, ihre Zutaten, obwohl ihre Kohlenwasserstoff stinken und zähe, klebrige Textur sind ziemlich gut Hinweise. Lassen Sie uns einen Blick in die Harzflasche nehmen und herausfinden, was es ist, dass die Magie der SLA geschehen lässt.
Die Grundlagen
Eine gute Basis, um die chemischen Prozesse hinter stereolithographischen Harze für das Verständnis ist die Polymerisation von Methylmethacrylat (MMA) in Polymethylmethacrylat, auch als PMMA oder einfach Acryl bekannt. Während Formulierungen für SLA-Harze variieren, sind viele von ihnen auf Basis von Acrylaten, so dass hier die Chemie zu einer Menge von Harzen unmittelbar anwendbar ist, da die allgemeinen Grundsätze sind.
Die Polymerisation von Methylmethacrylat ist, was als Radikalreaktion bekannt ist. Es funktioniert, weil MMA eine Doppelbindung zwischen zwei seiner Kohlenstoffatom aufweist, sowie eine in der Nähe Estergruppe – die Gruppe mit zwei Sauerstoffatomen, einer von ihnen in einer Doppelbindung. Die elektronische Struktur dieser beiden Gruppen macht die doppelt gebundenen Kohlenstoffanfällig Reduktion, die die Verstärkung eines Elektrons ist.
Die radikalische Polymerisation von MMA in PMMA. Die Ringstruktur ist der Initiator, der die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung in MMA-Monomer verringert. Das schafft eine andere freie Radikale, die eine andere MMA reduziert, und so weiter.
Unter normalen Umständen MMA-Monomeren reagieren nicht miteinander, weil es keine schwebenden freien Elektronen um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung zu reduzieren. Um MMA zu polymerisieren zu erhalten, Initiator – in diesem Fall, Benzoylperoxid – Bedürfnisse zu der Mischung hinzugefügt. Ein Initiator ist eine chemische Verbindung, die ungepaarte Elektronen oder freien Radikale bereitstellt. einmal Reste vorhanden sind, binden sie an dem Kohlenstoff, der durch die Doppelbindung reduziert wird. Das Produkt dieser ersten Reaktion wird sein eigenes ungepaarten Elektron hat, die dann weitergehen können und die Doppelbindung in ein anderen MMA-Monomer verringern, und so weiter. Die Erzeugung eines freien Radikals Produkt nach der Initiierung der Schlüssel zur radikalischen Polymerisation.
So liegt es nahe, dass eine Flasche SLA Harzmonomeren MMA enthält und einen Initiator von einer Art. aber was hält die Monomere aus den nur in der Flasche Polymerisation? Wenn der Initiator war oben so etwas wie das Benzoylperoxid in dem Beispiel verwendet wird, das ist genau das, was passieren würde. So nützlich für die SLA Arbeit zu sein, hat die Harzmischung einen Initiator enthalten, die in der Mischung bleiben inert kann, bis es gebraucht wird.
Treten Dinge Off
Dies ist, wo Photoinitiatoren ins Spiel kommen. Wo ein Initiator wie Benzoylperoxid leicht in Radikale zerfallen mit der Anwendung einer wenig Wärme, Fotoinitiatoren ein wenig mehr brauchen schmeichelnd. Hunderte von verschiedenen Photoinitiatoren wurden von chemischen Unternehmen im Laufe der Jahre entwickelt, die jeweils auf den spezifischen Satz von Monomeren zugeschnitten polymerisiert und werden wie auf die Bedürfnisse der Industrie, wie die Effizienz der Bildung von freien Radikalen, Toxizität und auch auf dem fertigen verliehen Gerüche Produkt. aber sie alle das gemeinsame Merkmal von inaktiv, bis sie mit Licht der richtigen Wellenlänge ausgesetzt sind.
Ein gutes Beispiel für einen Photoinitiator ist 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon, barmherzig abgekürzt DMPA und unter dem Handelsnamen IRGACURE 651 von Ciba verkauft. Die Verbindung hat zwei Benzolringe miteinander verbunden durch eine Zweikohlenstoffkette. eines der Kohlenstoffatome in der Linkerabschnitt ist zu Sauerstoff zweibindige, eine Ketonfunktion bilden. Wenn Photonen des rechten Wellenlänge – DMPA weist Absorptionspeaks 250 nm und 340 nm sind – schlagen die Ketongruppe, wird es bis zu dem Punkt, wo ein Elektron angeregt wird abgeschlagen. durch eine Reihe von Zwischenschritten, in denen der Ersatz Elektron an verschiedene Atom gemischt herum, der Linker Abschnitt der Molekülumbrüche in einem Prozess α-Spaltung bezeichnet. Diese hinterlässt eine stabile Spezies – methylbenzoat – plus zwei freie Radikale, die die Polymerisation initiieren kann.
DMPA (links) zerfällt in Methylbenzoat und zwei freie Radikale (rechts) durch die Zwischenschritte bei der belichtetenmit UV-Licht. Quelle: von Squidonius, public domain, via Wikimedia Commons
Tippen Sie auf die Bremsen
Der Mechanismus der Photopolymerisation bittet eine Frage: wie funktioniert das UV-Licht in einem SLA Drucker nicht nur den ganzen Tank Harz polymerisieren auf einmal? Es scheint, als wäre das ein Problem sein, da die Polymerisation einmal begonnen im Grunde eine Kettenreaktion ist. aber es gibt praktische Grenzen für die Reaktion, für beide chemischen und physikalischen Gründen.
Chemisch ist die Menge an Initiator in dem Harz ist typischerweise ziemlich niedrig – nur ein paar Prozent der Mischung. So gibt es nicht viele Orte, um die Polymerisationsreaktion zu starten. Polymerisationsreaktionen neigt auch Kettenabbruch spontan zu unterziehen, entweder durch zwei wachsenden Radikalketten aneinander binden, oder durch Reduktion eines Radikalkette durch Verunreinigungen wie beispielsweise Sauerstoff. Einige Harze haben auch spezifische Inhibitorverbindungen hinzugefügt, um die Geschwindigkeit der Polymerisation zu begrenzen. So oder so, hält spontane Beendigung die Tanks aus einem massiven Backstein aus Kunststoff zu werden.
Darüber hinaus gibt es physikalische Gründe für die Photopolymerisation nicht wild durch den Build-Tank läuft. Das UV-Licht aus dem Display LCD an der Unterseite des Tanks kommt, ist nicht besonders stark, und neigt dazu, durch das Harz absorbiert werden, bevor sehr weit reisen. Aus diesem Grund SLA-Harze sind in der Regel nicht stark pigmentiert sind, und warum alle Pigmente, die dem Harz zugesetzt werden müssen sorgfältig nicht absorbieren UV-Licht ausgewählt werden. Es ist auch, warum SLA druckt eine zusätzliche Reinigung und Härtungsschritt nach dem Drucken müssen; die Polymerisation, die in dem Tank auftritt, ist unvollständig, mit nicht umgesetztem Harz im Innern des Drucks verbleibt. Baden des Druck in hochintensiven UV-Licht wird der Vorgang abgeschlossen und härtet den Druck.
Auffüllen auf Soja
Zwischen Initiatoren, Monomere, Pigmenten und gegebenenfalls Inhibitoren, SLA-Harze scheint bereits wie ein Gebräu der Hexe von Chemikalien. aber wir sind noch nicht fertig. Harze nur selten Monomere verwenden, anstatt eine spezielle Mischung von Monomeren und Oligomeren unter Verwendung von – kurze Ketten von Monomeren vorpolymerisiert. Oligomere in das Harz dazu neigt, das Hinzufügen Polymerisation zu beschleunigen, indem der wachsenden Ketten einen Vorsprung zu geben. Es neigt auch dazu, die Viskosität des Harzes zu erhöhen, so dass es nicht flüssig ist und nicht schwappt um in dem Build-Tank und Blasen bekommen.
Eine weitere häufige Neben SLA-Harze ist ein Vernetzer. Vernetzer sind Verbindungen, die Verbindungen zwischen zwei oder mehr wachsenden Polymerketten bilden können. Vernetzung dazu neigt, die Polymerkette in mehr eine Matrixstruktur, Festigkeit und Steifigkeit verleihen, um das Endprodukt zu bilden. Die Vernetzung kann auch die Eigenschaften des Materials ändern, und ermöglicht auch für die Copolymerisation von verschiedenen Arten von Monomeren, wie das Hinzufügen von Urethan Acrylaten Zähigkeit und Flexibilität hinzuzufügen.
Einige SLA Harze enthalten auch Füllmaterialien. Füllstoffe sind sehr verbreitet in Kunststoff – eine Menge Schedule 40 Rohr PVC enthält pulverisiertes Kalkstein, zum Beispiel. In SLA Harzen sind Füllstoffe bulk bis der Kunststoff ergänzt durch die Zwischenräume zwischen den vernetzten Fasern von Polymeren füllt. Viele neuen „umweltfreundlicher“ SLA-Harze kommen zu behaupten, aus Sojabohnen gemacht werden, und während die wahr ist – zumindest für einige Harze – es gibt noch eine Menge Material in dem Harz, das eindeutig nicht aus Sojabohnen ist. und das Sojabohnenöl, das in es ist wirklich nur ein Füllstoff – ohne die Acrylat-Monomere und Vernetzer notiert sind oder der Photoinitiator, würde das Harz ziemlich nutzlos.
Genau wie Mama verwendet zu machen? Epoxidiertes Sojabohnenöl (ESBO) als Weichmacher in vielen Kunststoffen verwendet. Es wird durch Behandeln von polyungesättigten Sojabohnen Triglyceriden mit Peroxid aus C = C-Doppelbindungen in Epoxide umzuwandeln. Quelle: von Ed, public domain via Wikimedia Commons
Nicht nur für das Drucken
Während wir uns in erster Linie auf SLA Druck Harze hier konzentriert haben, ist, dass längst nicht die einzige Anwendung für Photopolymere. Wenn Sie einen Zahn zu jeder Zeit in den letzten drei Jahrzehnten gefüllt haben oder so, sind die Chancen gut, dass Ihr Zahnarzt einen Photopolymer enthält Methacrylat-Monomere verwendet und mit einem faseroptischen gehärteten Stab, das Licht aussendet UV. Leiterplattenhersteller machen breite Verwendung von Photopolymeren, die beide in den Photoresist-Beschichtungen, die verwendet werden, um die Bretter zu ätzen, und in der Lötmaske, die auf die Platte aufgebracht wird. Photopolymere sind auch in der Herstellung von integrierten Schaltungen beteiligt zur Maskierung während der photolithographischen Prozesse verwendet.