Применение 3D -принтеров для решения химических задач

семинар Journal Club 2018/2019
26 февраля 2019

S. D. R. Christie, «3D printing for chemical, pharmaceutical and

biological applications». Nat. Rev. Chem., 2 (2018) 422.

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

printing in chemical engineering and catalytic technology: structured catalysts, mixers

and reactors». Chem. Soc. Rev., 47 (2018) 209; IF 40.18

Методы 3D-печати

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

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

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

Лабораторная посуда, напечатанная методом FDM из термопластичных полимеров

Химический конструктор для обучающих целей (FDM, полилактид)

Спиральная трубка с крепежом (FDM, одновременная печать из двух сопел)

Химический микрореактор (FDM, полиэтилентерефталат)

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

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.

W. Chen, et al., «3D printing of versaltile reactionware for

chemical synthesis». Nat. Protoc., 11 (2016) 920; IF 12.423

(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.

fittings and fluidic modules for customizable droplet generators». RSC Adv.,

9 (2019) 2822; IF 2.936

al., «3D printing of a heterogeneous copper-based catalyst». J. Catal.,

334 (2016) 110; IF 6.759

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:

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

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

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.

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