Применение 3D-принтеров для решения химических задач

1. Применение 3D-принтеров для решения химических задач

Шишкина Анна
Кузнецова Анастасия
Сидорова Ксения
Открытый научный семинар Journal Club 2018/2019
26 февраля 2019

2.

3D-печать
3D-печать (AD, additive manufacturing) — процесс создания трехмерного
физического объекта по его компьютерной модели (CAD, computer-aided
design).
Этапы 3D-печати:
1) Создание трехмерной
СAD модели объекта
2) Конвертирование CAD
модели в файл формата
STL (standard tessellation
language)
3) Печать объекта слой
за слоем
[1] A. J. Capel, R. P. Rimington, M. P. Lewis, S. D. R. Christie, «3D printing for chemical, pharmaceutical and biological
applications». Nat. Rev. Chem., 2 (2018) 422.
2

3.

Методы 3D-печати
Технология
Метод
Толщина
слоя
Материалы
Экструзия
FDM (Fused Deposition Modelling)
моделирование
методом
послойного наплавления
50 - 300 мкм
Термопласты
(полилактид,
АБСпластик,
полипропилен,
поликарбонат, полиэтилентерефталат)
DIW (Direct
робокастинг
–
30 - 500 мкм
Керамические и металлические пасты
Ink
Writing)
Фотополимеризация
SL
(Stereolithography)
стереолитография
-
1 – 50 мкм
Фотополимеры
полиуретаны,
керамика
Струйная печать
MJM (Multi Jet Modeling) –
многоструйное моделирование
1 – 50 мкм
Фотополимеры
BJ (Binder Jetting) – изготовление
песчаных форм
100 – 150
мкм
Керамические
и
металлические
порошки со связующим материалом
SLS (Selective Laser Sintering) –
селективное лазерное спекание
20 – 150 мкм
Керамические порошки
SLM (Selective Laser Melting) –
селективное лазерное плавление
20 – 150 мкм
Металлические порошки
Порошковые
методы
(полиакрилаты,
полиэпоксиды);
[2] C. Parra-Cabrera, C. Achille, S. Kuhn, R. Ameloot, «3D printing in chemical engineering and catalytic technology: structured
catalysts, mixers and reactors». Chem. Soc. Rev., 47 (2018) 209; IF 40.18
3

4.

Методы 3D-печати
Методы 3D-печати, основанные на экструзии материала. (А) Робокастинг. (B) Моделирование методом
послойного наплавления (FDM).
Стереолитография (SL). Селективное отверждение фотополимера основано на (А) движении лазерного
пучка по поверхности или (B) путем проецирования лазером целого горизонтального среза объекта.
[2] C. Parra-Cabrera, C. Achille, S. Kuhn, R. Ameloot, «3D printing in chemical engineering and catalytic technology: structured
catalysts, mixers and reactors». Chem. Soc. Rev., 47 (2018) 209; IF 40.18
4

5.

Методы 3D-печати
Струйная 3D-печать. MJM (Multi Jet Modeling).
(А) Общий принцип формирования капель материала.
(B) Выброс капель чернил из печатающей головки
возможен под действием тепла или с помощью
пьезоэлектрика.
(С) Фотоотверждаемый материал наносится на
подложку вместе с вспомогательным материалом.
Порошковые методы 3D-печати. (А) 3D-печать с помощью связующего слои порошка вещества (Binder
Jetting). (B) 3D-печать методом селективного лазерного спекания порошка (SLS, Selective Laser Sintering).
[2] C. Parra-Cabrera, C. Achille, S. Kuhn, R. Ameloot, «3D printing in chemical engineering and catalytic technology: structured
catalysts, mixers and reactors». Chem. Soc. Rev., 47 (2018) 209; IF 40.18
5

6.

3D-печать химического оборудования
Лабораторная посуда, напечатанная методом FDM из термопластичных полимеров
Спиральная
трубка
с
крепежом
(FDM,
одновременная печать из
двух сопел)
Химический конструктор
для
обучающих
целей
(FDM, полилактид)
Химический микрореактор
(FDM,
полиэтилентерефталат)
[3] E. G. Gordeev, E. S. Degtyareva, V. P. Ananikov, «Analysis of 3D printing possibilities for the development of practical applications
in synthetic organic chemistry». Russ. Chem. Bull. Int. Ed., 65, (2016), 1637; IF 0.781
6

7.

3D-печать проточных кювет и микрореакторов
Встраиваемая в высокоэффективный жидкостной хроматограф
спектроскопическая проточная ячейка, напечатанная методом
стереолитографии из пластика Accura 60. Температура при
оптимизации варьировалась от 25 до 80 °C.
Встраиваемый в высокоэффективный жидкостной хроматограф
проточный реактор, напечатанный методом селективного
лазерного плавления из сплава Ti-6Al-4V. Температура при
оптимизации варьировалась от 100 до 180 °C.
[4] A. J. Capel, A. Wright, M. J. Harding, et al., «3D printed fluidics with embedded analytic functionality for automated reaction
optimisation». J. Org. Chem., 13 (2017) 111; IF 4.805
7

8.

3D-печать реактора для многостадийного синтеза
(i) Кислотно-катализируемая реакция Дильса-Альдера; (ii) образование имина; (iii)
восстановление имина до амина триэтилсиланом над Pd/C катализатором.
(а) печать полипропиленовой подложки;
(b) печать слоев катализаторов;
(с) вид объекта перед дальнейшей печатью
полипропиленовых стенок;
(d) загрузка реагентов и упаковка колонки силикагелем;
(e) завершение печати реактора.
[5] P. J. Kitson, S. Glatzel, W. Chen, et al., «3D printing of versaltile reactionware for chemical synthesis». Nat. Protoc., 11 (2016) 920;
IF 12.423
8

9.

3D-печать генератора сложных эмульсий
[6] S. Vijayan, M. Hashimoto, «3D printed fittings and fluidic modules for customizable droplet generators». RSC Adv., 9 (2019) 2822;
IF 2.936
9

10.

3D-печать катализаторов
Этапы
1) Приготовление пасты для печати:
Al2O3 + Cu(NO3)2 + H2O + HPMC + PEI
HPMC – гидроксипропилметилцеллюлоза,
модификатор вязкости;
PEI
–
полиэтиленимин,
катионный
электролит;
2) 3D-печать экструзионным способом;
3) осушение 24 часа при 25 °C;
4) обжиг в присутствии кислорода
воздуха 2 часа при 1400 °C.
Реакция Ульмана:
[7] C. R. Tubío, J. Azuaje, L. Escalante, et al., «3D printing of a heterogeneous copper-based catalyst». J. Catal., 334 (2016) 110; IF
6.759
10

11.

Новые материалы для 3D-печати
Синтез кросслинкеров с лабильным мостиком для 3D-печати
методом стереолитографии:
PETA – пентаэритрол триакрилат
[8] D. Gräfe, A. Wickberg, M. M. Zieger, et al., «Adding chemically selective multi-material 3D additive manufacturing». Nat.
Commun., 9 (2018) 2788; IF 12.353
11

12.

Новые материалы для 3D-печати
Тестирование стабильности изделий в дихлорметане
[9] F. A. Kucherov, E. G. Gordeev, A. S. Kashin, V. P. Ananikov, «Three-Dimensional Printing with Biomass-Derived PEF for CarbonNeutral Manufacturing». Angew. Chem. Int. Ed., 56 (2017) 15931; IF 12.102
12

13.

Выводы
1) Применение 3D-печати для решения химических задач привлекательно
благодаря возможности создания сложных трехмерных объектов за короткое
время.
2) Многообразие методов 3D-печати и используемых для печати материалов
позволяет создавать химическое оборудование различного функционала:
лабораторную посуду, реакторы, катализаторы и обучающие модели, а также
специальные
устройства,
отвечающие
требованиям
химического
эксперимента.
3) Открытие новых материалов для 3D-печати может значительно расширить
применение данной технологии в исследовательских лабораториях.
13

14.

Список литературы
[1] A. J. Capel, R. P. Rimington, M. P. Lewis, S. D. R. Christie, «3D printing for chemical,
pharmaceutical and biological applications». Nat. Rev. Chem., 2 (2018) 422.
[2] C. Parra-Cabrera, C. Achille, S. Kuhn, R. Ameloot, «3D printing in chemical engineering and
catalytic technology: structured catalysts, mixers and reactors». Chem. Soc. Rev., 47 (2018) 209; IF
40.18
[3] E. G. Gordeev, E. S. Degtyareva, V. P. Ananikov, «Analysis of 3D printing possibilities for the
development of practical applications in synthetic organic chemistry». Russ. Chem. Bull. Int. Ed., 65,
(2016), 1637; IF 0.781
[4] A. J. Capel, A. Wright, M. J. Harding, et al., «3D printed fluidics with embedded analytic
functionality for automated reaction optimisation». J. Org. Chem., 13 (2017) 111; IF 4.805
[5] P. J. Kitson, S. Glatzel, W. Chen, et al., «3D printing of versaltile reactionware for chemical
synthesis». Nat. Protoc., 11 (2016) 920; IF 12.423
[6] S. Vijayan, M. Hashimoto, «3D printed fittings and fluidic modules for customizable droplet
generators». RSC Adv., 9 (2019) 2822; IF 2.936
[7] C. R. Tubío, J. Azuaje, L. Escalante, et al., «3D printing of a heterogeneous copper-based catalyst».
J. Catal., 334 (2016) 110; IF 6.759
[8] D. Gräfe, A. Wickberg, M. M. Zieger, et al., «Adding chemically selective multi-material 3D
additive manufacturing». Nat. Commun., 9 (2018) 2788; IF 12.353
[9] F. A. Kucherov, E. G. Gordeev, A. S. Kashin, V. P. Ananikov, «Three-Dimensional Printing with
Biomass-Derived PEF for Carbon-Neutral Manufacturing». Angew. Chem. Int. Ed., 56 (2017) 15931; IF
12.102
14