Dette manuskriptet beskriver behandlingen av enkelt multifunksjonell keramisk komponenter (f.eks, kombinasjoner av tett-porøse strukturer) additively produsert av stereolitografi.
En additiv produksjonsteknologi brukes for å få funksjonelt gradert keramiske deler. Denne teknologien, basert på digital lyset bearbeiding/stereolitografi, er utviklet innenfor CerAMfacturing europeiske forskningsprosjektet. En tredimensjonal (3D) hemi-maxillary bein-lignende struktur er 3D trykt egendefinerte aluminiumoksid polymere blandinger. Pulver og blandinger er fullt analysert i reologiske atferd for å sikre riktig materialhåndtering i utskriftsprosessen. Muligheten til å skrive ut funksjonelt gradert materialer med Admaflex teknologi er forklart i dette dokumentet. Feltet-utslipp skanning elektronmikroskop (FESEM) viser at delen sintered aluminiumoksid keramiske har en porøsitet lavere enn 1% og ikke resten av den opprinnelige lagdelt strukturen er funnet etter analyse.
Høy-kompleks teknisk keramikk er stadig etterspurt på nesten alle program, inkludert mange industriområder. Menneskelige pecularities av finner flere og flere applikasjoner som følge av brukervennligheten av individualisering av produktene etter hver pasient. I det siste tiåret, har additiv produksjon forbedret valg av personlige medisinske behandlinger.
Additiv produksjon (AM) er en behandlingsteknologi som sørger for oversettelse av en datagenerert 3D modell i et fysisk produkt av sekvensert tillegg materiale. Generelt, en serie av 2D-lag danne en stabel som resulterer i en 3D form, slik at produksjonen av komponenter med en, så langt, enestående frihet design. Dette anses å være state-of-the-art forme teknologien for polymerer og metaller. De første industrielle teknologiene for keramiske prosessering er tilgjengelig1,2, og nesten alle kjente AM teknologi brukes for av enkelt-materiale keramikk i laboratorier over hele verden3,4, 5. AM, spesielt stereolitografi, begynte på 1980-tallet og ble utviklet av Hull6. Ulike produksjons metoder og materialer føre til en rekke produkt egenskaper, for eksempel størrelse, grovhet eller mekaniske egenskaper. Alle additiv produksjonsteknikker kan klassifiseres i to grupper: direkte additiv produksjon teknologier5, som er basert på selektiv avsetning av materiale (f.eks, materiale spyling prosesser som direkte Inkjet Utskrift eller termoplastisk 3D utskrift [T3DP])7,8,9,10, og indirekte additiv produksjon technologies, som er basert på selektiv konsolidering av materialet som er avsatt på hele laget (f.ekskeramiske stereolitografi [SLA]).
Kompleksiteten og villigheten til det nye applikasjoner krever en forbedring av AM keramiske prosessering teknologi. For eksempel har spesielle nyskapende industrielle eller medisinske applikasjoner med ulike egenskaper innen den samme komponenten, som fører til funksjonelt gradert materiale (FGMs). Disse materialene omfatter en rekke egenskaper om overganger i mikrostrukturen eller i materielle11. Disse overganger kan være diskret eller kontinuerlig. Ulike typer FGMs er kjent, som komponenter med materiale forløpninger eller gradert porøsitet, samt multi-farget komponenter. FGM komponenter kan produseres av enkelt konvensjonelle forme teknologier12,13,14,15,16,17 eller en kombinasjon av disse teknologiene, for eksempel molding ved-mold merking som en kombinasjon av tape støping og injeksjon18,19.
For å kombinere fordelene med AM med fordelene med FGMs keramisk-basert 4-D komponenter20 (tre dimensjoner for geometri og en grad av frihet om materielle egenskapene på hver posisjon), Admatec Europa har utviklet en stereolitografi-basert 3D utskriftsenheten i “CerAMfacturing” europeiske forskningsprosjektet for AM multifunksjonelle eller multi-materiale komponenter.
Teknologien tilpasset FGM komponenter er en stereolitografi tilnærming som bruker en digital lys prosessor (DLP) som lyskilde som inneholder en digital micromirror device chip (DMD), til danner en harpiks som kan blandes med forskjellige pulver. DMD chip har en matrise med flere hundre tusen mikroskopiske speil, som tilsvarer bildepunktene i bildet skal vises. Speil kan roteres individuelt for å sette en-på-posisjon for bildepunktet. De mest vanlig ansatt harpiks er basert på blandinger av acrylate og/eller polyuretan monomerer. I disse blandinger fant vi også andre tilsetningsstoffer, som lys-absorberende photoinitiator molekyler og fargestoffer. Harpiks blandingen er vanligvis helles i en container eller bad, også kalt mva. Polymerisasjon er indusert av reaksjonen til et photoinitiator molekyl (PI), med lys fotoner generert av DMD chip. Forskjellige harpiks monomer strukturer kan resultere i forskjellige polymerisasjon priser, krymping og endelige strukturen. Bruk av monofunctional monomerer vs polyfunctional monomerer har for eksempel en effekt i cross-linking polymere Network.
En av de viktigste parameterne ta hensyn med keramiske SLA er lys-spredning effekten produsert når lys (fotoner) passerer gjennom ulike materialer. Dette påvirker sterkt; i dette tilfellet er harpiks kombinert med en mengde pulver generere en suspensjon eller slurry. Slurry, deretter består av materialer som presenterer et annen brytningsindeks lys. En stor forskjell mellom brytningsindeks verdiene av harpiks og pulver påvirker dimensjonale nøyaktigheten av lagene, polymerisasjon priser og den totale lys dosen utløse polymerisasjon reaksjonen. Når lys går suspensjon, diffract pulver partikler (dvs., keramikk, metall eller andre polymerer) lys banen. Dette medfører en endring i den opprinnelige filbanen (bestrålt) fotoner. Hvis fotoner har en bane skrå eksponering retning, kan de genererer en polymerisering reaksjon på et sted som kan være tverrgående til den opprinnelige retningen. Dette fenomenet fører overeksponering når den kurert slurry er større enn det synlige området. Likeledes vil under-eksponere, når kurert slurry laget er mindre enn opprinnelig eksponert område.
I manuskriptet, er forskning for AM alumina komponenter kombinerer en tett og macroporous struktur, realisert ved hjelp av Admaflex teknologien, beskrevet. Som forklart i “CerAMfacturing” europeiske forskningsprosjektet, krever produksjon av FGM keramiske deler en høy oppløsning og gode overflate egenskaper for å møte krevende programmer. DLP stereolithographic teknologi, som beskrevet her, kan forskerne å få slike keramisk-basert, fullt funksjonell komponenter.
For medisinske implantater må råvaren være høy renhetsgrad, ideelt på 99,9% og høyere. En ikke-kommersielle aluminavirksomheten pulver med en smal partikkel størrelsesDistribusjon, en gjennomsnittlig partikkel størrelse < 0,5 µm og en bestemt overflaten av ca 7 m2/g brukes i dette prosjektet. Alternativt er det også mulig å bruke kommersielle materiale komposisjoner.
For å oppnå mest passende håndtering betingelsene for disse spesielle keramiske-polymer slam, bruker du nevnte utskrift teknologi. Denne teknologien er utstyrt med et transportsystem for folie som bærer slurry fra et reservoar til utskriftsområdet. Utskriftsområdet består av en gjennomsiktig glassoverflate nederst, som det er en lyskilde som prosjekter skiver lagene. På toppen av utskriftsområdet er det en bygning plattform som kan flyttes loddrett opp og ned takket være et z-lysbilde. Produktet, deretter henger på overflaten av utskrift metallplaten som kan festes av vakuum sug, over utskriftsområdet. Den ubrukte slurry samles deretter av en vindusvisker, nyoverhalte, og pumpet tilbake til opprinnelige reservoaret dermed skape en lukket krets som tillater forskere å bruke gjødsel som ikke ble brukt for byggingen av 3D-modellen. Annen programvare parametere kan endres for å tilpasse prosessen å forskjellige slurry komposisjoner og keramiske fyllstoff. Skriveren må plasseres i et rom med kontrollert lys, temperatur og fuktighet innstillinger. Rommet må være utstyrt med en UV-filter for utenfor lys; Dessuten, anbefales det å ha en temperatur på rundt 20-24 ° C og en relativ luftfuktighet under 40%. FESEM imaging viser en klart større gjennomsnittlig partikkelstørrelse alumina pulver etter deagglomeration, i forhold til teoretisk 0.45-µm alumina materiale analysene av leverandøren. Dette kan forklares i form av agglomeration. Under tørking, etter deagglomeration trinn, partikler re samlingen av planeter, som vist i figur 1 d. Under suspensjon utarbeidelse spre nytt agglomerert partikler takk til overflaten functionalization trinnet. En mindre tydelig partikkelstørrelse kan sees i FESEM imaging av gjødsel i Figur 3.
Om reologiske virkemåten, bør en ideell slurry for keramiske SLA-teknologi (f.eks, Admaflex teknologi) ha en skjær tynning atferd (dvs.redusere dynamisk viskositet på høyere skjær priser). For en optimal oppleggskanten støtte folie eller bruk i en dispensering enhet, bør dynamisk viskositet holdes på et ideelt område på lave skjær priser. Ved for høy dynamisk viskositet på lav skjær priser, kan støping av et slurry lag 200 µm bli hindret av mangelen på flyt å fylle gapet under legen bladet. Hvis den dynamiske viskositeten det er for lavt, kan suspensjon flyte selv fra reservoaret under bladet eller støtte folien på grunn av naturlig flyt (tyngdekraften). For alle undersøkte suspensjoner reduseres dynamisk viskositet med en økende skjær rente. Optimal suspensjon flyt virkemåten er gitt av sammensetning 1 (figur 2). Ulike endringer i slurry sammensetningen påvirke reologiske suspensjon. Det optimale flyt opptreden med en lav dynamisk viskositet i det nødvendige området ble oppnådd av suspensjon sammensatte 1. En økning av pulver innholdet eller en ikke-optimal innhold av dispersing agent (sammensatte 2) og en endring av dokumentordner-crosslinker forholdet med en høyere mengde multifunksjonelle crosslinker (sammensetning 3) førte til en økning av dynamisk viskositet, disadvantageously for prosessen. Hvis pulver innholdet er lavere, sammen med en lavere innhold multifunksjonelle crosslinker og i kombinasjon med en ikke-optimal innhold av dispersing agent (sammensetning 4), er dynamisk viskositet sterkt redusert, muligens fører til en ustabil suspensjon.
Endringen i lagring modulus G´ av slam på lys bestråling kan bidra til å lære mer om herding virkemåte av suspensjon. Dette suppleres av eksperimentelle tester på dybden av herding i skriverenheten selv. Herding virkemåten til forskjellige herding tider var preget for en alumina suspensjon med en optimal reologiske oppførsel. Før herding starter, suspensjon viser lave G´ og presenterer verdier under 100 Pa. Når herding starter, kan en polymerisering av den photoreactive organisk utledes av en økning på G´ til et høyere nivå. Med en økende herding tid, skråningen av G´ økes til maksimalt i området 105 til 107 Pa som avhenger av sammensetningen. En herding tid 1 s førte til en endelig G´ under 106 Pa, som ikke er nok for en minimum nødvendig styrke. Med en økende herding tid leveres mer energi (fotoner) til suspensjon, som fører til et høyere G´ som følge av en raskere og høyere grad av konvertering (høyere stigningstallet). Det optimale herding tidspunktet for utviklet alumina suspensjon bør være i en rekke 2 til 3 s. Med 4 herding tiden s, endelig nivå av G´ og den herding har store verdier, over 2 x 106 Pa. Konverteringen er nesten fullført og nesten ingen uherdet polymerer finnes. Ytterligere energiforsyning kan føre overcuring gjødsel og en overdreven herding av polymer, noe som resulterer i en sprø struktur som har en negativ effekt på vedlegget produktet med bygningen plattformen.
Single-FGM test komponenten valgt for dette manuskriptet er en hemi-maxillary implantat struktur som inneholder en tett ytre skall og en porøs bein som sentral kjernen, som kan ses i figur 5. Denne modellen kan være additively produsert og sintret defekt-free, sett av FESEM bildebehandling. Fine strukturer og veggtykkelser (mindre enn 0,1 mm) kan realiseres og ingen tydelig deformasjon under sintring oppstod. Det ble funnet at mikrostruktur enkelt alumina komponentene er typisk for keramiske behandling av alumina på den angitte sintring temperaturen, med en homogen kornstørrelse. Porøsitet i bulk områdene er svært lav ( 99%, sammenlignet med den teoretiske tettheten, ble oppnådd.
The authors have nothing to disclose.
Dette prosjektet har mottatt finansiering fra EUs horisonten 2020 forskning og innovasjon programmet under Grant avtalen ingen 678503.
Taimicron (TM-100D) | Taimei Chemicals Co Ltd., Japan | … | alumina (commercial) |
BYK LP C22124 | BYK-Chemie GmbH, Germany | … | dispersant |
Mastersizer 2000 | Malvern Instruments Ltd., United Kingdom | … | laser diffractometer |
TriStar 3000 | Micromeritics Instrument Corp., USA | … | adsorption/desorption |
Pulverisette 5/4 classic line | Fritsch GmbH, Germany | … | planetary ball mill |
Thinky ARV-310 | C3-Prozesstechnik, Germany | … | high-speed planetary ball mill |
Modular Compact Rheometer MCR 302 | Anton Paar, Graz, Austria | … | rheometer |
UV-LED Smart | Opsytec Dr. Gröbel GmbH, Germany | blue LED | |
prototype | Admatec, Netherland | … | Admaflex |
NA120/45 | Nabertherm, Germany | … | debinding furnace |
LH 15/12 | Nabertherm, Germany | … | sintering furnace |
Gemini 982 | Zeiss, Germany | … | FESEM |