RU2631794C1 - Polymeric three-dimensional object of complex shape and method of manufacturing polymeric three-dimensional object of complex shape - Google Patents

Polymeric three-dimensional object of complex shape and method of manufacturing polymeric three-dimensional object of complex shape Download PDF

Info

Publication number
RU2631794C1
RU2631794C1 RU2016144900A RU2016144900A RU2631794C1 RU 2631794 C1 RU2631794 C1 RU 2631794C1 RU 2016144900 A RU2016144900 A RU 2016144900A RU 2016144900 A RU2016144900 A RU 2016144900A RU 2631794 C1 RU2631794 C1 RU 2631794C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
curing
complex shape
layer
composition
point
Prior art date
Application number
RU2016144900A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Глеб Арсентьевич Абакумов
Сергей Николаевич Менсов
Роман Сергеевич Ковылин
Алексей Николаевич Конев
Юрий Викторович Полуштайцев
Сергей Артурович Чесноков
Владимир Валерьевич Юдин
Мария Александровна Анохина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук (ИМХ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук (ИМХ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук (ИМХ РАН)
Priority to RU2016144900A priority Critical patent/RU2631794C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2631794C1 publication Critical patent/RU2631794C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C41/00Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
    • B29C41/02Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C41/22Making multilayered or multicoloured articles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: polymeric three-dimensional object of complex shape is made up of layers of height h successively formed from a liquid photopolymer cured point-wise under the influence of light radiation and attached to each other during the formation process. Herewith the size of the curing "point" preferably coincides with the size of the light beam spot initiating the curing of the photopolymerizable composition. In addition, the three-dimensional object has in the entire volume a system of randomly located open bonded pores, each with a maximum transverse linear dimensionρ less than the height of the layer h and the diameter of the "point" d. The method of manufacturing a polymeric three-dimensional object of complex shape with a system of open bonded pores made up of layers obtained by successive curing each layer of a photopolymerizable composition by successive moving a light beam along it initiating its photocuring. As a photopolymerizable composition, a mixture of a photopolymer with a non-polymerizable component (an organic solvent, for example, methanol or 1-butanol or dinonyl phthalic acid or a mixture thereof) is used, with the possibility of heterophasic stratification of the composition during its photocuring and self-formation of the porous polymer structure with the pore size ρ= (Dτ)0.5, where D is the diffusion coefficient of the composition,τ curing time of the "point". Herewith the speed V of moving the light beam is given by the condition: d/τ> V>ρ/τ. After completion of the irradiation, the non-polymerization component is removed from the volume of randomly located openly bonded pores of the formed object of complex shape, preferably washed in an organic solvent, followed by its removal by evaporation.
EFFECT: accelerating the process of manufacturing a three-dimensional polymer object and improving its quality.
4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области изготовления физических носителей формы по геометрической или математической модели, в частности к изготовлению трехмерных объектов сложной формы из отверждающейся под воздействием излучения жидкой среды путем последовательного наращивания слоев, и может быть использовано для изготовления моделей деталей машин и механизмов, архитектурных, геодезических и других макетов, манекенов, анатомических моделей, формообразующих элементов пресс-форм и штампов, литейных форм, клише, подобных объектов в медицине, электронике, автомобилестроении, авиационно-космической промышленности, искусстве и т.д., а также ответственных деталей различных устройств с заданными физическими свойствами.The invention relates to the field of manufacture of physical form carriers according to a geometric or mathematical model, in particular to the manufacture of three-dimensional objects of complex shape from a curing liquid under the influence of radiation by successively building up layers, and can be used to make models of machine parts, mechanisms, architectural, geodetic and other models, mannequins, anatomical models, forming elements of molds and dies, foundry molds, cliches, similar objects in medical , Electronics, automotive, aerospace, art, etc., as well as critical parts of devices with desired physical properties.

В настоящее время все большую актуальность приобретают трехмерные объекты сложной формы, которые имеют пористую структуру. Наиболее эффективно такие объекты могут быть получены с использованием аддитивных технологий и, в частности, методом стереолитографии. Так, в работе [3D fibre deposition and stereolithography techniques for the design of multifunctional nanocomposite magnetic scaffolds. Roberto De Santis, Ugo D'Amora, Teresa Russo, Alfredo Ronca, Antonio Gloria, Luigi Ambrosio. J Mater Sci: Mater Med (2015) 26:250] пористые полимерные объекты получены с использованием стандартной технологии SLA. Фотополимеризующаяся композиция представляла собой смесь полиэтиленгликольдиакрилата/наночастицы Fe3O4 (90/10). Периодическая структура задавалась CAD файлом. Получали пористые цилиндры 6×8 мм с размером пор 500 мкм. Недостатком данного способа является то, что каждая пора вырисовывалась лучом лазера и, соответственно, не могла быть меньше размера светового пятна полимеризующего лазера.At present, three-dimensional objects of complex shape that have a porous structure are becoming increasingly relevant. Most effectively, such objects can be obtained using additive technologies and, in particular, by the method of stereolithography. So, in [3D fiber deposition and stereolithography techniques for the design of multifunctional nanocomposite magnetic scaffolds. Roberto De Santis, Ugo D'Amora, Teresa Russo, Alfredo Ronca, Antonio Gloria, Luigi Ambrosio. J Mater Sci: Mater Med (2015) 26: 250] porous polymer objects were prepared using standard SLA technology. The photopolymerizable composition was a mixture of polyethylene glycol diacrylate / Fe 3 O 4 nanoparticles (90/10). The periodic structure was set by a CAD file. Received porous cylinders 6 × 8 mm with a pore size of 500 μm. The disadvantage of this method is that each pore was outlined by a laser beam and, accordingly, could not be less than the size of the light spot of the polymerizing laser.

В качестве прототипа выбран полимерный трехмерный объект сложной формы [патент РФ №2145924, МПК7 B29D 9/00, В29С 41/22, В32В 1/00, В32В 1/10, опубл. 27.02.2000 г.], составленный из слоев, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося под воздействием излучения, и присоединенных один к другому в процессе формирования, при этом слои толщиной h выполнены неплоскими, непрерывно переходящими друг в друга, основания слоев состоят из конечного числа Nm "точек" линейного размера Lm, положение центра любой "точки" объекта по координате Z описывается уравнениемAs a prototype, a polymer three-dimensional object of complex shape was selected [RF patent No. 2145924, IPC 7 B29D 9/00, B29C 41/22, B32B 1/00, B32B 1/10, publ. 02/27/2000], composed of layers successively formed from a liquid photopolymer cured by radiation and attached to each other during formation, while layers of thickness h are non-planar, continuously transitioning into each other, the base of the layers consist of a final the number N m of "points" of linear size L m , the position of the center of any "point" of the object along the Z coordinate is described by the equation

Figure 00000001
Figure 00000001

где Zn,m - координата Z "точки" n слоя m;where Z n, m is the Z coordinate of the "point" n of the layer m;

m - номер слоя, m=1, 2, 3 и т.д.;m - layer number, m = 1, 2, 3, etc .;

h - толщина слоя;h is the thickness of the layer;

nm - номер "точки" по последовательности построения слоя m;n m - the number of "points" according to the sequence of construction of the layer m;

Nm - сумма "точек" слоя m.N m - the sum of the "points" of the layer m.

Под понятием "точка" подразумевается площадь пятна светового луча, инициирующего отверждение фотополимера.The term "point" refers to the spot area of a light beam initiating the curing of the photopolymer.

Известный полимерный трехмерный объект характеризуется точностью изготовления и повышенной прочностью. В то же время перед известным изобретением не ставилась задача придания полимерному трехмерному объекту дополнительных свойств, в частности сорбционных, фильтрующих, обменных, разделительных свойств, а также оптимизации по массе готового изделия и т.д.The well-known polymer three-dimensional object is characterized by manufacturing accuracy and increased strength. At the same time, the known invention did not have the task of giving the polymer three-dimensional object additional properties, in particular sorption, filtering, exchange, separation properties, as well as optimization by weight of the finished product, etc.

Таким образом, задачей настоящего изобретения являлось расширение функциональных возможностей полимерных трехмерных объектов, составленных из слоев, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося под воздействием излучения.Thus, the object of the present invention was to expand the functionality of polymer three-dimensional objects composed of layers successively formed from a liquid photopolymer cured by radiation.

Указанная задача решается полимерным трехмерным объектом сложной формы, составленным из слоев высотой h, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося поточечно под воздействием светового излучения, и присоединенных один к другому в процессе формирования, при этом размер "точки" отверждения преимущественно совпадает с размером пятна светового луча, инициирующего отверждение фотополимеризующейся композиции. Согласно предложению полимерный трехмерный объект сложной формы имеет во всем объеме систему случайно расположенных открытых связанных пор, каждая с максимальным поперечным линейным размером ρ меньше высоты слоя h и диаметра "точки" d.This problem is solved by a polymeric three-dimensional object of complex shape, composed of layers of height h, successively formed from a liquid photopolymer curing pointwise under the influence of light radiation, and attached to one another during the formation process, while the size of the curing “point” mainly coincides with the size of the light spot a beam initiating the curing of the photopolymerizable composition. According to the proposal, a polymer three-dimensional object of complex shape in its entirety has a system of randomly located open connected pores, each with a maximum transverse linear dimension ρ less than the layer height h and the diameter of the “point” d.

Заявленный полимерный трехмерный объект изготавливают последовательным отверждением каждого слоя фотополимеризующейся композиции последовательным перемещением вдоль него светового луча, инициирующего ее фотоотверждение, при этом в качестве фотополимеризующейся композиции используют смесь фотополимера с неполимеризационноспособным компонентом (НК), с возможностью гетерофазного расслоения композиции в ходе ее фотоотверждения и соответственно самоформирования пористой полимерной структуры с размером пор ρ=(Dτ)0,5, где D - коэффициент диффузии композиции, τ - время отверждения "точки". Скорость V перемещения светового луча вдоль полимеризующегося слоя задают из условия: d/τ>V>ρ/τ. После завершения облучения неполимеризационноспособный компонент удаляют из объема случайно расположенных открытых связанных пор сформированного объекта сложной формы, в частности промывают в органическом растворителе с последующим его удалением за счет испарения.The claimed polymer three-dimensional object is made by sequential curing of each layer of a photopolymerizable composition by successive movement of a light beam along it, initiating its photocure, while a mixture of a photopolymer with a non-polymerization component (NC) is used as a photopolymerizable composition, with the possibility of heterophasic separation of the composition during its photo-curing a porous polymer structure with a pore size ρ = (Dτ) 0.5 , where D is the coefficient nt diffusion of the composition, τ is the curing time of the “point”. The speed V of the movement of the light beam along the polymerizing layer is set from the condition: d / τ>V> ρ / τ. After the completion of irradiation, the non-polymerization component is removed from the volume of randomly located open connected pores of the formed object of complex shape, in particular, it is washed in an organic solvent, followed by its removal by evaporation.

В качестве неполимеризационноспособного компонента целесообразно применять органический растворитель, например метанол, или 1-бутанол, или динониловый эфир фталевой кислоты, или их смесь. Применение органического растворителя известно для одностадийного получения пористого материала с гидрофобной поверхностью пор [патент РФ №2537860, МПК B01J 20/26, В82В 3/00, C08F 2/48, C08F 2/06, C08F 20/10, опубл. 20.07.2014 г.]. В то же время применение неполимеризационноспособного компонента при послойном изготовлении объекта характеризуется по меньшей мере одной неочевидной особенностью, а именно скоростью перемещения фотоотверждающего луча. Смысл формулы d/τ>V>ρ/τ состоит в следующем. Выполнение условия в левой части неравенства необходимо для гарантированной полимеризации фотополимеризующейся композиции в области локальной засветки композиции лучом. Если это условие не выполняется, то полимеризация в области засветки не приводит к возникновению твердой фазы полимера и, соответственно, не будет не только гетерофазного расслоения, необходимого для самоформирования пористой структуры, но и в целом формирования стабильного 3-мерного объекта. Выполнение правой части неравенства обеспечивает режим невытеснения НК из области засветки луча. Соответственно, это обеспечивает заданную и неизменную концентрацию НК в области полимеризации, что также необходимо для гетерофазного расслоения полимеризующейся среды и самформирования пористой структуры 3-мерного объекта.As a non-polymerization component, it is advisable to use an organic solvent, for example methanol, or 1-butanol, or phthalic acid dinonyl ether, or a mixture thereof. The use of an organic solvent is known for a one-stage production of a porous material with a hydrophobic pore surface [RF patent No. 2537860, IPC B01J 20/26, B82B 3/00, C08F 2/48, C08F 2/06, C08F 20/10, publ. 07/20/2014]. At the same time, the use of a non-polymerization component in the layer-by-layer fabrication of an object is characterized by at least one non-obvious feature, namely, the speed of movement of the photocurable beam. The meaning of the formula d / τ> V> ρ / τ is as follows. The fulfillment of the condition on the left side of the inequality is necessary for guaranteed polymerization of the photopolymerizable composition in the region of local exposure of the composition to the beam. If this condition is not fulfilled, then polymerization in the flare region does not lead to the formation of a solid phase of the polymer and, accordingly, there will be not only heterophase separation necessary for self-formation of the porous structure, but also, in general, the formation of a stable 3-dimensional object. The fulfillment of the right-hand side of the inequality provides the mode of non-crowding out the ND from the region of beam illumination. Accordingly, this provides a predetermined and constant concentration of nanocrystals in the polymerization region, which is also necessary for heterophasic separation of the polymerizable medium and the formation of the porous structure of a 3-dimensional object.

Заявленные технические решения поясняются примерами реализации. Примеры приведены для двух типов объектов.The claimed technical solutions are illustrated by examples of implementation. Examples are given for two types of objects.

Первый. Объект произвольной формы, составленный из М плоских слоев высотой h, содержащих случайно расположенные открытые связанные между слоями поры размером ρ меньше h, сформированных из жидкого фотополимера под действием инициирующего излучения и присоединенных один к другому в процессе формирования объекта. Каждый слой состоит из конечного числа Nm "точек", поперечный размер которых d определяется разрешающей способностью оптического устройства фокусировки луча, содержит систему случайно расположенных открытых и связанных между собой в слое пор размером ρ меньше d. Положение центра любой "точки" объекта по координате Z описывается уравнением:The first. An object of arbitrary shape, composed of M flat layers of height h, containing randomly located open pores between the layers of size ρ smaller than h, formed from a liquid photopolymer under the influence of initiating radiation and attached to one another during the formation of the object. Each layer consists of a finite number N m of “points”, the transverse dimension of which d is determined by the resolution of the optical beam focusing device, and contains a system of randomly located open and interconnected pores with a size ρ smaller than d. The center position of any "point" of the object along the Z coordinate is described by the equation:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Zn,m - координата Z "точки" n слоя m;where Z n, m is the Z coordinate of the "point" n of the layer m;

m - номер слоя; m=1, 2, 3 и т.д.m is the layer number; m = 1, 2, 3, etc.

h - толщина слоя;h is the thickness of the layer;

nm - номер "точки" по последовательности построения слоя m;n m - the number of "points" according to the sequence of construction of the layer m;

Nm - сумма "точек" слоя m.N m - the sum of the "points" of the layer m.

Данный объект содержит во всем объеме систему случайно расположенных открытых связанных пор, каждая с максимальным поперечным линейным размером ρ меньше высоты слоя h и диаметром "точки" d.This object contains in its entirety a system of randomly located open connected pores, each with a maximum transverse linear dimension ρ less than the layer height h and the diameter of the “point” d.

Второй. Объект произвольной формы, составленный из М неплоских, переходящих друг в друга слоев высотой h, содержащих случайно расположенные открытые связанные между слоями поры размером ρ меньше h, сформированных из жидкого фотополимера под действием инициирующего излучения и присоединенных один к другому в процессе формирования объекта. Каждый неплоский слой состоит из конечного числа Nm "точек", поперечный размер которых d определяется разрешающей способностью оптического устройства фокусировки луча, содержит систему случайно расположенных открытых и связанных между собой в слое пор размером ρ меньше d. Положение центра любой "точки" объекта по координате Z описывается уравнением:Second. An object of arbitrary shape, composed of M nonplanar, transitioning into each other layers of height h, containing randomly located open pores between the layers of size ρ smaller than h, formed from a liquid photopolymer under the influence of initiating radiation and attached to each other during the formation of the object. Each non-planar layer consists of a finite number N m of “points”, the transverse dimension of which d is determined by the resolution of the optical beam focusing device, and contains a system of randomly located open and interconnected pores of size ρ smaller than d. The center position of any "point" of the object along the Z coordinate is described by the equation:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Zn,m - координата Z "точки" n слоя m;where Z n, m is the Z coordinate of the "point" n of the layer m;

m - номер слоя; m=1, 2, 3 и т.д.m is the layer number; m = 1, 2, 3, etc.

h - толщина слоя;h is the thickness of the layer;

nm - номер "точки" по последовательности построения слоя m;n m - the number of "points" according to the sequence of construction of the layer m;

Nm - сумма "точек" слоя m.N m - the sum of the "points" of the layer m.

Данный объект содержит во всем объеме систему случайно расположенных открытых связанных пор, каждая с максимальным поперечным линейным размером ρ меньше высоты слоя h и диаметром "точки" d.This object contains in its entirety a system of randomly located open connected pores, each with a maximum transverse linear dimension ρ less than the layer height h and the diameter of the “point” d.

Для наглядности приведены поясняющие чертежи.For clarity, explanatory drawings are provided.

На фиг. 1 представлен порядок положения "точек" полимерного трехмерного объекта сложной формы с системой случайно расположенных открытых связанных пор, составленного из плоских слоев. На фиг. 2 представлен порядок положения "точек" полимерного трехмерного объекта сложной формы с системой случайно расположенных открытых связанных пор, составленного из неплоских слоев.In FIG. Figure 1 shows the order of position of the “points” of a three-dimensional polymer object of complex shape with a system of randomly located open connected pores composed of flat layers. In FIG. Figure 2 shows the order of position of the “points” of a three-dimensional polymer object of complex shape with a system of randomly located open connected pores composed of non-planar layers.

Пример 1Example 1

Фотополимеризующуюся композицию готовили смешением 6 г олигоэфиракрилата, в качестве которого использовали α,ω-бис-(метакрилоилоксиэтилен-оксикарбонилокси)этиленоксиэтилен (промышленная марка ОКМ-2), 0,06 г фотоинициатора, в качестве которого использовали диметокисифенилацетофенон, и 4 г неполимеризационноспособного компонента, в качестве которого использовали динониловый эфир фталевой кислоты. Готовую композицию помещали в реактор, снабженный системой вертикального перемещения подложки. Объект сложной формы выращивали методом перемещения подложки вниз погружением формирующегося объекта в объем композиции. Для формирования первого слоя подложка позиционировалась так, чтобы между ее поверхностью и поверхностью композиции был слой композиции, равный 100 мкм. Далее осуществляли облучение поверхности композиции с помощью сканатора лучом инициирующего излучения, например излучением He-Cd УФ-лазера мощностью 10 мВт с диаметром луча d=100 мкм. При соответствующем световом потоке 1 Вт/мм2 время отверждения точки композиции размером d=100 мкм составляет 0,01 с. При коэффициенте диффузии композиции D=50 мкм2/с размер самоформирующихся пор ρ=(Dτ)0,5=0,7 мкм. В этом случае скорость перемещения светового пятна должна удовлетворять условию: 10 мм/с=d/τ>V>ρ/τ=0,07 мм/с. Использовано значение V=8 мм/с. После облучения 1-го слоя подложку опускали в объем композиции для затекания композиции на поверхность сформированного слоя, затем поднимали так, чтобы слой композиции над ранее сформированным полимерным слоем составлял 100 мкм. Формирование второго и следующих слоев также проводили со скоростью сканирования светового луча V=8 мм/с. После завершения оптического формирования объект отделяли от подложки, промывали изопропиловым спиртом и далее удаляли растворитель методом вакуумирования. Средний размер пор на сколе объекта, определенный методом атомно-силовой микроскопии, составил 0,7 мкм. Наличие открытости пор контролировали помещением основания полученного пористого трехмерного объекта в иммерсионную среду - толуол, имеющий близкий к полимеру показатель преломления. В результате объект становился целиком прозрачным. Это свидетельствует о том, что поры в полученном многослойном объекте взаимосвязаны по всему объему.A photopolymerizable composition was prepared by mixing 6 g of oligoester acrylate, which was used as α, ω-bis- (methacryloyloxyethylene-hydroxycarbonyloxy) ethyleneoxyethylene (commercial grade OKM-2), 0.06 g of photoinitiator, which was used dimethoxyphenylacetophenone, and 4 g of non-polymerization as which was used phthalic acid dinonyl ether. The finished composition was placed in a reactor equipped with a system for vertical movement of the substrate. An object of complex shape was grown by moving the substrate down by immersing the forming object in the volume of the composition. To form the first layer, the substrate was positioned so that between its surface and the composition surface there was a composition layer equal to 100 μm. Then, the surface of the composition was irradiated using a scanner with a beam of initiating radiation, for example, radiation from a He-Cd UV laser with a power of 10 mW with a beam diameter d = 100 μm. With a corresponding luminous flux of 1 W / mm 2 , the curing time of a composition point with a size of d = 100 μm is 0.01 s. When the diffusion coefficient of the composition is D = 50 μm 2 / s, the size of the self-forming pores is ρ = (Dτ) 0.5 = 0.7 μm. In this case, the speed of movement of the light spot must satisfy the condition: 10 mm / s = d / τ>V> ρ / τ = 0.07 mm / s. The value V = 8 mm / s was used. After irradiation of the 1st layer, the substrate was lowered into the bulk of the composition to flow the composition onto the surface of the formed layer, then raised so that the composition layer above the previously formed polymer layer was 100 μm. The formation of the second and subsequent layers was also carried out with the scanning speed of the light beam V = 8 mm / s. After completion of the optical formation, the object was separated from the substrate, washed with isopropyl alcohol, and then the solvent was removed by vacuum. The average pore size on the cleaved object, determined by atomic force microscopy, was 0.7 μm. The presence of pore openness was controlled by placing the base of the obtained porous three-dimensional object in an immersion medium — toluene, which has a refractive index close to the polymer. As a result, the object became completely transparent. This indicates that the pores in the resulting multilayer object are interconnected throughout the volume.

Пример 2Example 2

Фотополимеризующуюся композицию готовили смешением 6 г олигоэфиракрилата, в качестве которого использовали α,ω-бис-(метакрилоилоксиэтилен-оксикарбонилокси)этиленоксиэтилен (промышленная марка ОКМ-2), фотоинициатора, в качестве которого использовали смесь 0,01 г 3,6-ди-трет-бутил-4-фтор-бензохинона-1,2 и 0,1 г триэтиламина, и 4 г неполимеризационноспособного компонента, в качестве которого использовали метанол. Готовую композицию помещали в реактор с прозрачным дном, например, из силикатного стекла, на поверхность которого нанесен антиадгезионный слой, например перфторированная жидкость марки РЖН. Подложку, на которой выращивали объект, опускали в фотополимеризующуюся композицию до формирования слоя композиции толщиной 100 мкм. Далее осуществляли облучение композиции с помощью сканатора лучом инициирующего излучения, например излучением He-Ne лазера мощностью 20 мВт с диаметром луча d=100 мкм. При соответствующем световом потоке 2 Вт/мм2 время отверждения точки композиции размером d=100 мкм составляет 0,01 с. При коэффициенте диффузии композиции D=100 мкм2/с размер самоформирующихся пор ρ=(Dτ)0,5=1 мкм. В этом случае скорость перемещения светового пятна должна удовлетворять условию: 10 мм/с=d/τ>V>ρ/τ=0,1 мм/с. Использовано значение V=5 мм/с. После облучения 1-го плоского слоя в реактор доливали объем композиции, равный объему композиции, отвержденному в первом слое, и подложку поднимали на высоту слоя разбиения модели трехмерного объекта сложной формы по высоте. Формирование второго и следующих слоев также проводили со скоростью сканирования светового луча V=5 мм/с. После завершения оптического формирования объект отделяли от подложки, промывали изопропиловым спиртом и далее удаляли растворитель методом вакуумирования. Средний размер пор на сколе объекта, определенный методом атомно-силовой микроскопии, составил 1 мкм. Наличие открытости пор контролировали помещением основания полученного пористого трехмерного объекта в иммерсионную среду - толуол, имеющий близкий к полимеру показатель преломления. В результате объект становился целиком прозрачным. Это свидетельствует о том, что поры в полученном многослойном объекте взаимосвязаны по всему объему.A photopolymerizable composition was prepared by mixing 6 g of oligoester acrylate, which was used as α, ω-bis- (methacryloyloxyethylene-hydroxycarbonyloxy) ethyleneoxyethylene (industrial grade OKM-2), photoinitiator, which was used as a mixture of 0.01 g of 3,6-di-tert -butyl-4-fluoro-benzoquinone-1.2 and 0.1 g of triethylamine, and 4 g of a non-polymerization-capable component, which was used methanol. The finished composition was placed in a reactor with a transparent bottom, for example, of silicate glass, on the surface of which a release layer was applied, for example, perfluorinated liquid RZHN. The substrate on which the object was grown was lowered into a photopolymerizable composition until a composition layer 100 μm thick was formed. Next, the composition was irradiated using a scanner with a beam of initiating radiation, for example, radiation from a 20 mW He-Ne laser with a beam diameter d = 100 μm. With an appropriate luminous flux of 2 W / mm 2 , the curing time of a composition point with a size of d = 100 μm is 0.01 s. When the diffusion coefficient of the composition is D = 100 μm 2 / s, the size of the self-forming pores is ρ = (Dτ) 0.5 = 1 μm. In this case, the speed of movement of the light spot must satisfy the condition: 10 mm / s = d / τ>V> ρ / τ = 0.1 mm / s. The value V = 5 mm / s was used. After irradiation of the first plane layer, the composition volume equal to the volume of the composition cured in the first layer was added to the reactor, and the substrate was raised to the height of the partition layer of the model of a three-dimensional object of complex shape in height. The formation of the second and subsequent layers was also carried out with a scanning speed of the light beam V = 5 mm / s. After completion of the optical formation, the object was separated from the substrate, washed with isopropyl alcohol, and then the solvent was removed by vacuum. The average pore size on the cleaved object, determined by atomic force microscopy, was 1 μm. The presence of pore openness was controlled by placing the base of the obtained porous three-dimensional object in an immersion medium — toluene, which has a refractive index close to the polymer. As a result, the object became completely transparent. This indicates that the pores in the resulting multilayer object are interconnected throughout the volume.

Пример 3Example 3

Фотополимеризующуюся композицию готовили смешением 6 г олигоэфиракрилата, в качестве которого использовали α,ω-бис-(метакрилоилоксиэтилен-оксикарбонилокси)этиленоксиэтилен (промышленная марка ОКМ-2), фотоинициатора, в качестве которого использовали смесь 0,015 г 3,6-ди-трет-бутил-4-фтор-бензохинона-1,2 и 0,1 г триэтиламина, и 4 г неполимеризационноспособного компонента, в качестве которого использовали 1-бутанол. Готовую композицию помещали в реактор с прозрачным дном, например, из силикатного стекла, на поверхность которого нанесен антиадгезионный слой, например перфторированная жидкость марки РЖН. Подложку, на которой выращивали объект, опускали в фотополимеризующуюся композицию до формирования слоя композиции толщиной 100 мкм. Далее осуществляли облучение композиции с помощью сканатора лучом инициирующего излучения, например излучением He-Ne лазера мощностью 20 мВт с диаметром луча d=100 мкм. При соответствующем световом потоке 2 Вт/мм2 время отверждения точки композиции размером d=100 мкм составляет 0,02 с. При коэффициенте диффузии композиции D=80 мкм2/с размер самоформирующихся пор ρ=(Dτ)0,5=1,3 мкм. В этом случае скорость перемещения светового пятна должна удовлетворять условию: 5 мм/с=d/τ>V>ρ/τ=0,065 мм/с. Использовано значение V=4 мм/с. Одновременно с поперечным перемещением светового пятна поднимали подложку по координате Z по закону:A photopolymerizable composition was prepared by mixing 6 g of oligoester acrylate, which was used as α, ω-bis- (methacryloyloxyethylene-hydroxycarbonyloxy) ethyleneoxyethylene (industrial grade OKM-2), a photoinitiator, which was used as a mixture of 0.015 g of 3,6-di-tert-butyl -4-fluoro-benzoquinone-1.2 and 0.1 g of triethylamine, and 4 g of a non-polymerization-capable component, which was used 1-butanol. The finished composition was placed in a reactor with a transparent bottom, for example, of silicate glass, on the surface of which a release layer was applied, for example, perfluorinated liquid RZHN. The substrate on which the object was grown was lowered into a photopolymerizable composition until a composition layer 100 μm thick was formed. Next, the composition was irradiated using a scanner with a beam of initiating radiation, for example, radiation from a 20 mW He-Ne laser with a beam diameter d = 100 μm. With an appropriate luminous flux of 2 W / mm 2 , the curing time of a composition point with a size of d = 100 μm is 0.02 s. When the diffusion coefficient of the composition is D = 80 μm 2 / s, the size of the self-forming pores is ρ = (Dτ) 0.5 = 1.3 μm. In this case, the speed of movement of the light spot must satisfy the condition: 5 mm / s = d / τ>V> ρ / τ = 0.065 mm / s. The value V = 4 mm / s was used. Simultaneously with the transverse movement of the light spot, the substrate was raised along the Z coordinate according to the law:

Figure 00000004
Figure 00000004

где Zn,m - координата Z "точки" n слоя m;where Z n, m is the Z coordinate of the "point" n of the layer m;

m - номер слоя; m=1, 2, 3 и т.д.m is the layer number; m = 1, 2, 3, etc.

h - толщина слоя;h is the thickness of the layer;

nm - номер "точки" по последовательности построения слоя m;n m - the number of "points" according to the sequence of construction of the layer m;

Nm - сумма "точек" слоя m.N m - the sum of the "points" of the layer m.

В соответствии с этим формировали объект сложной формы со спиралевидными слоями, в которых конечная продольная координата последней точки слоя совпадала с началом продольной координаты первой точки следующего слоя. Соответственно, здесь не требовалось отдельной процедуры продольного перемещения объекта между операциями формирования слоев. Долив фотополимеризующейся композиции осуществляли непрерывно по мере формирования точек объекта сканирующим лучом. После завершения оптического формирования объект отделяли от подложки, промывали изопропиловым спиртом и далее удаляли растворитель методом вакуумирования. Средний размер пор на сколе объекта, определенный методом атомно-силовой микроскопии, составил 1,3 мкм. Наличие открытости пор контролировали помещением основания полученного пористого трехмерного объекта в иммерсионную среду - толуол, имеющий близкий к полимеру показатель преломления. В результате объект становился целиком прозрачным. Это свидетельствует о том, что поры в полученном многослойном объекте взаимосвязаны по всему объему.In accordance with this, an object of complex shape was formed with spiral layers in which the final longitudinal coordinate of the last point of the layer coincided with the beginning of the longitudinal coordinate of the first point of the next layer. Accordingly, there was no need for a separate procedure for the longitudinal movement of the object between the operations of forming layers. Topping up the photopolymerizable composition was carried out continuously as the points of the object were formed by the scanning beam. After completion of the optical formation, the object was separated from the substrate, washed with isopropyl alcohol, and then the solvent was removed by vacuum. The average pore size on the cleaved object, determined by atomic force microscopy, was 1.3 μm. The presence of pore openness was controlled by placing the base of the obtained porous three-dimensional object in an immersion medium — toluene, which has a refractive index close to the polymer. As a result, the object became completely transparent. This indicates that the pores in the resulting multilayer object are interconnected throughout the volume.

Claims (6)

1. Полимерный трехмерный объект сложной формы, составленный из слоев высотой h, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося поточечно под воздействием светового излучения, и присоединенных один к другому в процессе формирования, при этом размер "точки" отверждения преимущественно совпадает с размером пятна светового луча, инициирующего отверждение фотополимеризующейся композиции, отличающийся тем, что он имеет во всем объеме систему случайно расположенных открытых связанных пор, каждая с максимальным поперечным линейным размером ρ меньше высоты слоя h и диаметра «точки» d.1. A three-dimensional polymer object of complex shape, composed of layers of height h, sequentially formed from a liquid photopolymer curing pointwise under the influence of light radiation, and attached to one another during the formation process, while the size of the curing “point” mainly coincides with the size of the light beam spot initiating the curing of the photopolymerizable composition, characterized in that it has in its entirety a system of randomly located open connected pores, each with a maximum ρ echnym linear dimension smaller than the height h and diameter layer "points» d. 2. Способ изготовления полимерного трехмерного объекта сложной формы с системой открытых связанных пор, составленного из слоев, полученных последовательным отверждением каждого слоя фотополимеризующейся композиции последовательным перемещением вдоль него светового луча, инициирующего ее фотоотверждение, отличающийся тем, что в качестве фотополимеризующейся композиции используют смесь фотополимера с неполимеризационноспособным компонентом, с возможностью гетерофазного расслоения композиции в ходе ее фотоотверждения, при этом скорость V перемещения светового луча вдоль полимеризующегося слоя задают из условия:2. A method of manufacturing a polymeric three-dimensional object of complex shape with an open bonded pore system composed of layers obtained by sequentially curing each layer of a photopolymerizable composition by successively moving a light beam along it, initiating its photo-curing, characterized in that a mixture of a photopolymer with non-polymerization is used as a photopolymerizable composition component, with the possibility of heterophasic separation of the composition during its photocuring, while Height V moving the light beam along the polymerizable layer is set from the condition: dτ>V>ρ/τ, где τ - время отверждения "точки",dτ> V> ρ / τ, where τ is the curing time of the “point”, после завершения облучения неполимеризационноспособный компонент удаляют из объема случайно расположенных открытых связанных пор сформированного объекта сложной формы.after completion of irradiation, the non-polymerization-capable component is removed from the volume of randomly located open connected pores of the formed object of complex shape. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве неполимеризационноспособного компонента выбирают органический растворитель, например метанол, или 1-бутанол, или динониловый эфир фталевой кислоты, или их смесь.3. The method according to p. 2, characterized in that as a non-polymerization component, an organic solvent, for example methanol, or 1-butanol, or phthalic acid dinonyl ether, or a mixture thereof is selected. 4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что для удаления неполимеризационноспособного компонента из объема случайно расположенных открытых связанных пор объект после облучения промывают в органическом растворителе с последующим его удалением за счет испарения.4. The method according to p. 2 or 3, characterized in that to remove the non-polymerization component from the volume of randomly located open connected pores, the object after irradiation is washed in an organic solvent, followed by its removal by evaporation.
RU2016144900A 2016-11-15 2016-11-15 Polymeric three-dimensional object of complex shape and method of manufacturing polymeric three-dimensional object of complex shape RU2631794C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016144900A RU2631794C1 (en) 2016-11-15 2016-11-15 Polymeric three-dimensional object of complex shape and method of manufacturing polymeric three-dimensional object of complex shape

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016144900A RU2631794C1 (en) 2016-11-15 2016-11-15 Polymeric three-dimensional object of complex shape and method of manufacturing polymeric three-dimensional object of complex shape

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2631794C1 true RU2631794C1 (en) 2017-09-26

Family

ID=59931228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016144900A RU2631794C1 (en) 2016-11-15 2016-11-15 Polymeric three-dimensional object of complex shape and method of manufacturing polymeric three-dimensional object of complex shape

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2631794C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2783378C2 (en) * 2020-10-06 2022-11-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук (ИМХ РАН) Porous polymer three-dimensional object of complex shape and method for manufacture of porous polymer three-dimensional object of complex shape

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04105925A (en) * 1990-08-24 1992-04-07 Dainippon Printing Co Ltd Formation of porous membrane
WO1997013399A2 (en) * 1995-09-26 1997-04-17 Stratasys, Inc. Method for controlled porosity three-dimensional modeling
RU2145924C1 (en) * 1998-07-13 2000-02-27 Институт металлоорганической химии им.Г.А.Разуваева РАН Complex-shape three-dimensional polymeric item built up of layers, its manufacturing process and device
RU2537860C2 (en) * 2013-01-09 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук (ИМХ РАН) Photopolymerising composition for single-stage obtaining of polymer nanoporous material with hydrophobic surface of pores, nanoporous polymer material with selective sorptive properties, method of obtaining thereof, method of its obtaining, method of single-stage formation of water-separating filtering elements on its basis and method of purification of organic liquids from water

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04105925A (en) * 1990-08-24 1992-04-07 Dainippon Printing Co Ltd Formation of porous membrane
WO1997013399A2 (en) * 1995-09-26 1997-04-17 Stratasys, Inc. Method for controlled porosity three-dimensional modeling
RU2145924C1 (en) * 1998-07-13 2000-02-27 Институт металлоорганической химии им.Г.А.Разуваева РАН Complex-shape three-dimensional polymeric item built up of layers, its manufacturing process and device
RU2537860C2 (en) * 2013-01-09 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук (ИМХ РАН) Photopolymerising composition for single-stage obtaining of polymer nanoporous material with hydrophobic surface of pores, nanoporous polymer material with selective sorptive properties, method of obtaining thereof, method of its obtaining, method of single-stage formation of water-separating filtering elements on its basis and method of purification of organic liquids from water

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805905C2 (en) * 2018-08-20 2023-10-24 Киосера Файнсиремикс Пресижн Гмбх Additive manufacturing of components based on silicon carbide with added diamond particles
RU2783378C2 (en) * 2020-10-06 2022-11-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук (ИМХ РАН) Porous polymer three-dimensional object of complex shape and method for manufacture of porous polymer three-dimensional object of complex shape
RU2818598C1 (en) * 2023-09-15 2024-05-03 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие" "3Д Аддитивные технологии" Dental burned photopolymer composition for 3d printing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Stampfl et al. Photopolymers with tunable mechanical properties processed by laser-based high-resolution stereolithography
Lee et al. Recent developments in the use of two‐photon polymerization in precise 2D and 3D microfabrications
Deshmukh et al. Fundamentals and applications of 3D and 4D printing of polymers: challenges in polymer processing and prospects of future research
Malinauskas et al. A femtosecond laser-induced two-photon photopolymerization technique for structuring microlenses
CN110002883B (en) Photocuring 3D printed polysilazane ceramic product and preparation method thereof
JP6560953B2 (en) How to make a 3D structure
Stichel et al. Two-photon Polymerization as Method for the Fabrication of Large Scale Biomedical Scaffold Applications.
JPH0760844A (en) Manufacture of three-dimensional structure
Credi et al. Combining stereolithography and replica molding: On the way to superhydrophobic polymeric devices for photovoltaics
CN108705775A (en) Preparation method, 3D printing method and the 3D printer of Ceramic precursor resin
RU2631794C1 (en) Polymeric three-dimensional object of complex shape and method of manufacturing polymeric three-dimensional object of complex shape
Qin et al. Design and optimization of projection stereolithography additive manufacturing system with multi-pass scanning
Stender et al. From Lab to Fab—High‐Precision 3D Printing: Towards high throughputs and industrial scalability
Maruo Stereolithography and two-photon polymerization
US12017185B2 (en) Polymer membranes
KR101199496B1 (en) Processing method of large area structure in low cost type stereolithography system using small DMD and UV-LED
RU2783378C2 (en) Porous polymer three-dimensional object of complex shape and method for manufacture of porous polymer three-dimensional object of complex shape
Baumgartner et al. Comparison of dynamic mask‐and vector‐based ceramic stereolithography
Lee et al. Development of three-dimensional alginate encapsulated chondrocyte hybrid scaffold using microstereolithography
CN106976232B (en) Semipermeable element, application and preparation method thereof and 3D printing equipment
JPH0493228A (en) Method for forming three-dimensional matter
Li et al. An Investigation of Integrated Multiscale Three-Dimensional Printing for Hierarchical Structures Fabrication
KR101109288B1 (en) A device for preparation of microstructure with multi complex resin using microstereolithography
JP4034758B2 (en) Manufacturing method of metal structure using stereolithography fabrication method
Khairu et al. Parameter optimerization for photo polymerization of microstereolithography

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191116