Dette manuskript beskriver behandlingen af enkelt multifunktionelle keramiske komponenter (fx, kombinationer af tætte-porøse strukturer) additively fremstillet af stereolithography.
Et tilsætningsstof produktionsteknologi anvendes for at opnå funktionelt graded keramiske dele. Denne teknologi, baseret på digital lys behandling/stereolithography, er udviklet inden for rammerne af det europæiske forskningsprojekt CerAMfacturing. En tre-dimensionel (3-D) hemi-maxillary knogler-lignende struktur er 3-D udskrives ved hjælp af brugerdefinerede aluminiumoxid polymere blandinger. Pulvere og blandinger er fuldt ud analyseret med hensyn til rheologiske opførsel for at sikre ordentlig materialehåndtering under udskrivningsprocessen. Mulighed for at udskrive funktionelt graded materialer ved hjælp af Admaflex teknologi er forklaret i dette dokument. Felt-emission scanning elektronmikroskopi (FESEM) viser, at sintrede aluminiumoxid keramiske del har en porøsitet lavere end 1% og ikke resten af den oprindelige lagdelt struktur er fundet efter analyse.
Høj-kompleks teknisk keramik i stigende grad efterspørges i næsten hver anvendelsesområde, herunder mange industriområder. Inden for menneskelige healthcare finder flere og flere applikationer som følge af lethed af individualisering af produkterne for hver patient. I det sidste årti, er additive manufacturing forbedret mulighederne for individuelle medicinske behandlinger.
Tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) er en forarbejdning teknologi, der giver mulighed for oversættelse af en computer-genereret 3D-model til et fysisk produkt af sekventeret tilsætning af materiale. Generelt, en række 2D-lag danner en stak, der resulterer i en 3D-form, så produktionen af komponenter med en, så langt, hidtil uset frihed i design. Dette anses for at være state-of-the-art forme teknologi for polymerer og metaller. De første industrielle teknologier til keramiske behandling er tilgængelig1,2, og næsten alle kendte AM teknologier bruges for AM af single-materiale keramik i laboratorier over hele verden3,4, 5. AM, især stereolithography, begyndte i 1980 ‘ erne og blev udviklet af Hull6. Forskellige produktions metoder og materialer føre til en bred vifte af produktets egenskaber, såsom størrelse, ruhed eller mekaniske egenskaber. Alle tilsætningsstoffer fremstillingsteknikker kan inddeles i to grupper: direkte tilsætningsstof manufacturing technologies5, som er baseret på selektiv aflejring af materiale (f.eks., materiale jetting processer som direkte Inkjet Udskrivning eller termoplastisk 3D-udskrivning [T3DP])7,8,9,10, og indirekte additive fabrikationsteknologier, som er baseret på en selektiv konsolidering af materialet som er deponeret på hele laget (fxkeramiske stereolithography [SLA]).
Kompleksitet og klargøringen af de nye programmer kræver en forbedring af AM keramiske behandling teknologier. For eksempel, skal særligt innovative industrielle eller medicinske applikationer omfatte forskellige egenskaber inden for den samme komponent, der fører til funktionelt Graded materialer (FGMs). Disse materialer omfatter en lang række egenskaber vedrørende overgange i mikrostrukturen eller i den materielle11. Disse overgange kan være diskrete eller kontinuerlig. Forskellige former for FGMs er kendt som komponenter med materielle gradienter eller sorterede porøsitet, såvel som multi-farvede komponenter. FGM komponenter kan fremstilles af enkelt konventionelle forme teknologier12,13,14,15,16,17 eller ved en kombination af disse teknologier, for eksempel, molding ved-skimmel mærkning som en kombination af tape støbning og injektion18,19.
For at kombinere fordelene ved AM med fordelene af FGMs til keramik-baseret 4-D komponenter20 (tre dimensioner for geometri og en grad af frihed om materialeegenskaber på hver position), Admatec EU har udviklet en stereolithography-baseret 3D-udskriftsenhed inden for “CerAMfacturing” europæiske forskningsprojekt for AM af multi-funktionelle eller flere væsentlige komponenter.
Teknologi tilpasset til FGM komponenter er en stereolithography-baseret tilgang, der beskæftiger en digital lys processor (DLP) som lyskilde, der indeholder en digital micromirror device chip (DMD), bruges til at polymerisere en harpiks, som kan være blandet med forskellige pulvere. DMD chip har en bred vifte af flere hundrede tusinde mikroskopiske spejle, som svarer til pixlene i billedet skal vises. Spejlene kan roteres individuelt for at angive en tænd-sluk placering af pixel. De mest almindeligt ansat harpiks er baseret på blandinger af butylacrylat og/eller urethan monomerer. I disse blandinger fandt vi også andre tilsætningsstoffer, såsom lys-absorberende photoinitiator molekyler og farvestoffer. Harpiks blandingen hældes typisk i en container eller bad, også kaldet moms. Polymerisering er induceret ved reaktion mellem en photoinitiator molekyle (PI), med de lys fotoner genereret af DMD chip. Forskellige harpiks monomer strukturer kan resultere i forskellige polymerisering satser, svind og endelige struktur. For eksempel, har brugen af monofunctional monomerer vs Polyfunktionelle monomerer en virkning i cross-linking af polymert netværket.
En af de vigtigste parametre til at tage i betragtning med keramiske SLA er den lys-spredning virkning produceret, når lys (fotoner) krydser gennem forskellige materialer. Dette er yderst påvirker; i dette tilfælde er harpiks kombineret med et beløb af pulver til at generere en suspension eller gylle. Gylle består derefter af materialer, der præsenterer en forskellige brydningsindeks for lys. En stor forskel mellem brydningsindeks værdier af harpiks og pulveret påvirker den dimensionel nøjagtighed af lagene, polymerisering satser og den samlede lys dosis til at udløse polymerisation reaktion. Når lys ind suspension, diffract pulver partikler (dvs., keramik, metal eller andre polymerer) lys stien. Denne effekt inducerer en ændring i den oprindelige sti til de (bestrålede) fotoner. Hvis fotonerne har en bane skrå eksponering retning, kan de skabe en polymerisation reaktion på en placering, der kan være tværgående til den oprindelige retning. Dette fænomen medfører overeksponering når området i den hærdede gylle er større end det udsatte område. Ligeledes vil det under-eksponere, når den hærdede gylle lag er mindre end det oprindeligt udsatte område.
I manuskriptet, er forskning for AM af alumina komponenter kombinere en tæt og kombineret makroporøs struktur, realiseret ved hjælp af Admaflex teknologi, beskrevet. Som forklaret i “CerAMfacturing” europæiske forskningsprojekt, kræver produktion af FGM keramiske dele en høj opløsning og god overflade egenskaber til at imødekomme de krævende applikationer. DLP stereolithographic teknologier, som beskrevet her, gør det muligt for forskere at få sådanne keramik-baseret, fuldt funktionelle komponenter.
Til medicinske implantater har råmaterialet skal være af høj renhed, ideelt for 99,9% og højere. I dette projekt bruges en ikke-kommerciel alumina pulver med en smal partikelstørrelsesfordeling, en gennemsnitlig partikel størrelse < 0,5 µm og en specifik overflade på ca 7 m2/g. Alternativt er det også muligt at bruge kommercielle materiale kompositioner.
For at opnå de mest hensigtsmæssige håndtering betingelser for disse særlige keramik-polymer gylle, brug den førnævnte printteknologi. Denne teknologi er udstyret med en folie transportsystem, der bærer gylle fra et reservoir til udskriftsområdet. Trykområdet er sammensat af en gennemsigtig barometer overflade nederst, hvorunder der er en lyskilde at projekter de skivede lag. På toppen af udskriftsområdet er der en bygning platform, der kan flytte lodret op og ned takket være en z-akse dias. Produktet, derefter, hænger på overfladen af metal trykpladen, der kan fastgøres ved vakuum sug, ovenfor udskriftsområdet. Ubrugte gyllen bliver derefter indsamlet af en vinduesvisker, istandsat, og pumpes tilbage til den oprindelige reservoir, således at der skabes et lukket kredsløb, som gør det muligt for forskere at genbruge den gylle, som ikke var forbruges til opførelse af 3D-modellen. Forskellige software parametre kan blive ændret for at tilpasse processen til forskellige gylle kompositioner og keramiske fyldstoffer. Printeren skal placeres i et rum med kontrolleret lys, temperatur og fugtighed indstillinger. Lokalet skal være udstyret med et UV-filter for den udvendige lys; Derudover anbefales det at have en temperatur på omkring 20-24 ° C og en relativ luftfugtighed under 40%. FESEM imaging viser en tilsyneladende større gennemsnitlig partikelstørrelse af alumina pulver efter deagglomeration, i forhold til de teoretiske 0,45 µm alumina materialeanalyser af leverandøren. Dette kan forklares med bymæssigt område. Under tørringen, efter trinnet deagglomeration vedblive partikler re, som det ses i figur 1 d. Forberedelsen suspension kan re sammenpresset partikler være spredt takket være overflade functionalization trin. En mindre synlige partikelstørrelse kan ses i FESEM imaging af gylle i figur 3.
Hvad angår de rheologiske opførsel, bør en ideel gyllen for keramiske SLA teknologi (fx, Admaflex teknologi) have en saks, udtynding adfærd (dvs., faldende dynamisk viskositet ved højere shear satser). For en optimal stemmer på bærende folie eller anvendelse inden for en udlevering enhed, bør dynamisk viskositet holdes på et ideelt udbud til lav shear priser. I tilfælde af for høj dynamisk viskositet ved lav shear satser, kan støbning af gylle lag af 200 µm hindres af manglende flow til at fylde hullet under læge blade. Hvis den dynamiske viskositet det er for lavt, kan suspension flyde af sig selv fra reservoiret under vingen eller fra support folie på grund af naturlige flow (tyngdekraft). For alle undersøgte suspensioner falder dynamisk viskositet med et stigende shear rate. Optimal suspension flow adfærd gives af sammensætning 1 (figur 2). Forskellige ændringer i gylle sammensætning påvirker de rheologiske opførsel af suspensionen. Optimal flow adfærd med en lav dynamiske viskositet i rækken kræves blev opnået ved suspension sammensatte 1. En stigning i pulver indhold eller en ikke-optimal indhold af sprede agent (sammensatte 2) og en ændring af ringbind-crosslinker forholdet ved hjælp af en højere mængde af multifunktionelle crosslinker (sammensætning 3) førte til en stigning på den dynamiske viskositet, disadvantageously for processen. Hvis indholdet af pulver er lavere, sammen med et lavere indhold af multifunktionelle crosslinker og i kombination med en ikke-optimal indhold af sprede agent (sammensætning 4), er dynamisk viskositet stærkt reduceret, eventuelt fører til en ustabil suspension.
Ændring i opbevaring modulus G´ af slam på lys bestråling kan hjælpe til at lære mere om funktionen hærdning af suspensioner. Dette er suppleret med eksperimentelle undersøgelser af dybden af hærdning på udskrivningsenheden, selv. Hærdning adfærd på forskellige hærdning gange var kendetegnet for en alumina suspension med en optimal rheologiske opførsel. Før hærdning starter, suspension viser et lavt niveau af G´ og præsenterer værdier under 100 Pa. Når Hærdning starter, kan en polymerisering af fotoreaktivt organics udledes af en forhøjelse af G´ til et højere niveau. Med en stigende hærdetid, hældningen af G´ øges til maksimalt i en vifte af 105 til 107 Pa, som afhænger af sammensætningen. Hærdetid 1 s førte til et sidste G´ under 106 Pa, der ikke er nok til en mindste nødvendige styrke. Med en stigende hærdetid gives mere energi (fotoner) til suspension, hvilket fører til en højere G´ som følge af en hurtigere og højere grad af konvertering (højere hældning). Den optimale hærdetid for udviklede alumina suspensionen bør være i en række 2 til 3 s. Med en hærdetid 4 s, det endelige niveau for G´ og hærdning skråningen har store værdier, over 2 x 106 Pa. Konverteringen er næsten komplet og næsten ingen uhærdet polymerer findes. Yderligere energiforsyning kan resultere i overcuring gylle og en overdreven hærdning af polymer, hvilket resulterer i en skør struktur, som har en negativ virkning på den vedhæftede fil af produktet med bygning platform.
Komponenten single-FGM test valgt for dette manuskript er et hemi-maxillary implantat struktur, der indeholder en tæt yderstof og en porøs knogle-lignende central kerne, som kan ses i figur 5. Denne model kunne være additively fremstillet og sintret fejlfri, som det ses af FESEM billeddannelse. Fine strukturer og vægtykkelser (mindre end 0,1 mm) kan realiseres og ingen tilsyneladende deformation under sintring opstod. Det konstateredes, at mikrostruktur af enkelt alumina komponenter er typisk for den keramiske behandling af aluminiumoxid på de givne sintering temperaturer, med en ensartet kornstørrelse. Porøsitet i bulk områder er meget lav ( 99%, i forhold til den teoretiske tæthed, blev opnået.
The authors have nothing to disclose.
Dette projekt har modtaget støtte fra EUs Horisont 2020 forskning og Innovation Program under Grant aftale nej 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 |