Ce manuscrit décrit la transformation de simples composants céramiques multifonctionnels (p. ex., combinaisons de structures denses poreux) additivement fabriquée par stéréolithographie.
Une technologie de fabrication additive est appliquée pour obtenir des pièces de céramique fonctionnellement graduées. Cette technologie, basée sur le traitement numérique de lumière/stéréolithographie, est développée dans le cadre du projet de recherche européen CerAMfacturing. En trois dimensions (3D) hémi-maxillaire bone structure semblable à un est 3D imprimé à l’aide de mélanges de polymères personnalisés en oxyde d’aluminium. Les poudres et les mélanges sont pleinement analysées en termes de comportement rhéologique afin d’assurer la manutention correcte pendant le processus d’impression. Matériaux à l’aide de la Admaflex technique est expliqué dans ce document comme étant la possibilité d’imprimer sur le plan fonctionnel. Émission de champ microscopie électronique à balayage (FESEM) montrent que la partie en céramique d’oxyde d’aluminium fritté a une porosité inférieure à 1 % et aucun reste de la structure en couches originale ne se trouve après analyse.
Hochkomplexen céramiques techniques sont de plus en demande dans presque tous les domaines d’application, y compris de nombreux secteurs industriels. Le domaine de la santé humaine trouve des applications de plus en plus en raison de la facilité de l’individualisation des produits pour chaque patient. Au cours de la dernière décennie, fabrication additive a amélioré les options de traitements médicaux individuels.
Additif de fabrication (AM) est une technologie de traitement qui permet la traduction d’un modèle 3D générées par ordinateur en un produit physique par séquencée adjonction de matériau. En général, une série de couches 2D forment une pile qui se traduit par une forme 3D, permettant la fabrication de composants avec a, jusqu’ici sans précédent, liberté de conception. Cela est considéré comme état-of-the-art technologie des polymères et des métaux. Les premières technologies industrielles pour le traitement de la céramique sont disponibles1,2, et presque toutes les technologies connues de AM servent pour AM single-matériau céramique dans les laboratoires partout dans le monde3,,4, 5. AM, en particulier la stéréolithographie, a commencé dans les années 1980 et a été développé par coque6. Fabrication différentes approches et matériaux conduisent à une variété de propriétés du produit, telles que la taille, rugosité ou propriétés mécaniques. Toutes les techniques de fabrication additive peuvent être classées en deux groupes : direct additive manufacturing technologies5, qui sont basées sur le dépôt sélectif du matériel (p. ex., matériel de nettoyage au jet de processus comme le jet d’encre directe L’impression ou thermoplastique 3D [T3DP])7,8,9,10et des technologies de fabrication additive indirecte, qui reposent sur la consolidation sélective du matériau qui est déposé sur la couche entière (par exemple, stéréolithographie en céramique [SLA]).
La complexité et la préparation des nouvelles applications exigent une amélioration des technologies de traitement céramique AM. Par exemple, des applications industrielles ou médicales innovantes spéciales ont inclure des propriétés différentes dans le même composant, ce qui conduit à des matériaux classés sur le plan fonctionnel (FGMs). Ces matériaux comprendre une variété de propriétés concernant les transitions dans la microstructure ou dans la matière11. Ces transitions peuvent être discrètes ou continues. Différents types de FGMs sont des composants connus, tels que les composants avec matériels dégradés ou porosité classée, mais aussi multicolores. Composants de mutilations génitales féminines peuvent être fabriqués par célibataire classiques façonnage technologies12,13,14,15,16,17 , ou par une combinaison de ces technologies, par exemple, par surmoulée marquage comme une combinaison de coulée de ruban et injection molding18,19.
Pour combiner les avantages de l’AM avec les avantages de FGMs à base de céramique des composants 4D20 (trois dimensions pour la géométrie et un degré de liberté concernant les propriétés du matériau dans chaque position), Admatec Europe a développé un basée sur la stéréolithographie 3D périphérique d’impression dans le projet de recherche européen « CerAMfacturing » pour l’AM de composants multifonctionnels ou multi-matériaux.
La technologie adaptée pour les composants de la MGF est une approche basée sur la stéréolithographie qui utilise un processeur numérique de lumière (DLP) comme source de lumière contenant une puce de dispositif digital micromirror (DMD), utilisée pour polymériser une résine qui peut être mélangée avec des poudres de différentes. La puce DMD est un ensemble de plusieurs cent mille miroirs microscopiques, qui correspondent aux pixels de l’image à afficher. Les miroirs orientable individuellement pour définir une position marche / arrêt du pixel. Les résines plus couramment utilisés sont basés sur des mélanges de monomères acrylate d’éthyle ou uréthane. Dans ces mélanges, nous avons également constaté des autres additifs, tels que les molécules de photo-initiateur absorbant la lumière et de colorants. Le mélange de résine est généralement versé dans un conteneur ou un bain, également appelé TVA. La polymérisation est induite par la réaction d’une molécule photoinitiateur (PI), avec les photons de lumière générés par la puce DMD. Des structures différentes résine monomère peuvent entraîner des taux différents de polymérisation, rétrécissement et structure finale. Par exemple, l’utilisation de monofonctionnel monomères vs polyfonctionnels monomères a un effet dans la mise en réseau du réseau polymérique.
Un des paramètres plus importants à prendre en compte avec l’ALS en céramique est l’effet de dispersion de la lumière produite lorsque la lumière (photons) traverse différents matériaux. Cela a des répercussions très ; dans ce cas, les résines sont combinés avec une quantité de poudre pour produire une suspension ou la boue. Le lisier est, alors, composé de matériaux qui présentent un indice de réfraction différent à la lumière. Une grande différence entre les valeurs de l’indice de réfraction de la résine et la poudre affecte la précision dimensionnelle des couches, les tarifs de la polymérisation et la dose totale de lumière pour déclencher la réaction de polymérisation. Lorsque la lumière pénètre la suspension, les particules de poudre (c.-à-d., céramique, métal ou autres polymères) diffracter le trajet de la lumière. Cet effet induit un changement dans le tracé d’origine des photons (irradiés). Si les photons ont une trajectoire oblique à la direction de l’exposition, ils peuvent générer une réaction de polymérisation dans un endroit qui peut être transversal à la direction initiale. Ce phénomène se traduit par une surexposition lorsque la superficie de la boue durcie est supérieure à la surface exposée. De même, il va sous-exposer, lorsque la couche de boue durcie est plus petite que la surface exposée à l’origine.
Dans le manuscrit, la recherche pour l’AM de composants d’alumine combinant une dense et structure macroporeuse, réalisé à l’aide de la technologie de Admaflex, est décrite. Comme expliqué dans le projet de recherche européen « CerAMfacturing », la production de pièces en céramique de MGF nécessite une résolution élevée et bonnes propriétés de surface pour satisfaire les applications exigeantes. DLP stéreolithographie technologies telles que celle décrite ici, permet aux chercheurs d’obtenir ces éléments de base de céramique, entièrement fonctionnels.
Pour les implants médicaux, la matière première doit être d’une grande pureté, idéalement de 99,9 % et plus. Dans ce projet, une poudre d’alumine non-commerciale avec une distribution granulométrique étroit, une particule moyenne taille < 0,5 µm et une surface spécifique d’environ 7 m2/g est utilisée. Alternativement, il est également possible d’utiliser des compositions de matières commerciales.
Afin de réaliser les conditions de manipulation plus appropriées pour ces coulis de céramique-polymère particuliers, utilisent la technologie d’impression susmentionnée. Cette technologie est équipée d’un système de feuille de transport qui transporte la boue provenant d’un réservoir pour la zone d’impression. La zone d’impression est composée d’une surface de verre transparent en bas, sous lequel il y a une source de lumière qui projette les couches en tranches. En haut de la zone d’impression, il y a une plateforme de bâtiment qui peut se déplacer verticalement de haut en bas grâce à un glissement de l’axe z. Le produit, se bloque puis, sur la surface de la plaque d’impression métallique qui peut être fixée par aspiration sous vide, au-dessus de la zone d’impression. La boue inutilisée est ensuite recueillie par un essuie-glace, arrière remis à neuf et pompé vers le réservoir d’origine, créant ainsi un circuit fermé qui permet aux chercheurs de réutiliser la boue qui n’était pas consommée pour la construction du modèle 3D. Des logiciels différents paramètres peuvent être changés afin d’adapter le processus aux compositions différentes de lisier et de charges en céramique. L’imprimante doit être placé dans une pièce avec lumière contrôlée, température et humidité paramètres. La chambre doit être équipée d’un filtre anti-UV pour la lumière extérieure ; en outre, il est recommandé d’avoir une température d’environ 20-24 ° C et une humidité relative inférieure à 40 %. L’imagerie FESEM montre une apparente plus grande taille moyenne des particules de poudre d’alumine après désagrégation, par rapport à des analyses de matériaux alumine théorique 0,45 µm par le fournisseur. Cela peut s’expliquer en termes d’agglomération. Pendant le séchage, après l’étape de Désagglomération, les particules re-s’agglomérer, comme on le voit dans la Figure 1. Lors de la préparation de la suspension, les particules re-agglomérées peuvent être dispersés grâce à l’étape de la fonctionnalisation de surface. Une plus petite taille de particule apparente peut être vu dans le FESEM d’imagerie de la boue dans la Figure 3.
En ce qui concerne le comportement rhéologique, un lisier idéal pour céramique technologie SLA (p. ex., technologie Admaflex) devrait avoir un cisaillement amincissement comportement (c.-à-d., diminution de viscosité dynamique à des taux plus élevés de cisaillement). Une distribution optimale sur support papier ou l’utilisation au sein d’une unité de dosage, la viscosité dynamique doit être conservée à une plage idéale à des vitesses de cisaillement faible. En cas de trop grande viscosité dynamique à des vitesses de cisaillement faible, le coulage d’une couche de boue de 200µm pourrait être entravé par le manque de circulation pour combler le vide sous la racle. Si la viscosité dynamique, elle est trop basse, la suspension peut refluer par elle-même depuis le réservoir au-dessous de la lame ou de la feuille de prise en charge en raison de l’écoulement naturel (gravité). Pour toutes les suspensions étudiées, la viscosité dynamique diminue à un rythme croissant de cisaillement. La viscosimétrie suspension optimale est donnée par composition 1 (Figure 2). Différents changements dans la composition de lisier affectent le comportement rhéologique de la suspension. Le comportement de l’écoulement optimal avec une faible viscosité dynamique dans la gamme des valeurs requises a été réalisé par suspension composé 1. Une augmentation de la teneur en poudre ou une teneur non optimale de l’agent de dispersion (composé 2) et un changement du ratio reticulation-classeur à l’aide d’un montant plus élevé de reticulation multifonctionnel (composition 3) conduit à une augmentation de la viscosité dynamique, désavantageuse pour le processus. Si la teneur en poudre est plus faible, avec une teneur inférieure de reticulation multifonctionnelle et en combinaison avec un contenu non optimale de l’agent de dispersion (composition 4), la viscosité dynamique est fortement réduite, conduisant éventuellement à une instable suspension.
Le changement de module de stockage G´ des solutions lors de l’irradiation lumineuse peut aider à en apprendre davantage sur le comportement de durcissement des suspensions. Il est complété par des essais expérimentaux sur la profondeur de durcissement dans le périphérique d’impression lui-même. Le comportement de polymérisation à différents temps de polymérisation a été caractérisé pour une suspension d’alumine avec un comportement rhéologique optimale. Avant durcissement commence, la suspension montre un faible niveau de G´ et présente les valeurs inférieures à 100 pa. Lorsque le durcissement commence, une polymérisation des matières organiques photoréactifs peut être déduite par une augmentation de G´ à un niveau supérieur. Avec un temps de durcissement croissant, la pente du G´ passe par un maximum dans une gamme de 105 à 107 Pa qui dépend de la composition. Un temps de mûrissement de 1 s a conduit à un G´ final inférieur à 106 Pa, ce qui n’est pas suffisant pour une résistance minimale nécessaire. Avec un temps de durcissement croissant, plus d’énergie (photons) est fourni à la suspension, ce qui conduit à une G´ plus élevée en raison d’un degré plus rapide et plus élevé de conversion (pente supérieure). Le temps de mûrissement optimal pour la suspension de l’alumine développés devrait être dans une fourchette de 2 à 3 s. Avec un temps de mûrissement de 4 s, le niveau final de G´ et la pente de polymérisation ont des valeurs élevées, au-dessus de 2 x 106 pa. La conversion est presque achevée et presque aucun polymères non polymérisées n’existent. L’approvisionnement en énergie supplémentaire peut entraîner overcuring la boue et un durcissement excessif du polymère, résultant en une structure fragile qui a un effet négatif sur la fixation du produit avec la plateforme du bâtiment.
L’élément d’essai unique-MGF choisi pour ce manuscrit est une structure hémi-maxillaire implant contenant une enveloppe dense et un noyau comme OS poreux, comme peut être vu dans la Figure 5. Ce modèle pourrait être fabriqué additivement et fritté sans défaut, comme en témoigne l’imagerie FESEM. Structures fines et des épaisseurs de paroi (inférieur à 0,1 mm) peuvent être réalisées et aucune déformation apparente pendant le frittage a eu lieu. Il a été constaté que la microstructure des composants simples d’alumine est typique pour la transformation en céramique d’alumine à la température de frittage donnée, avec une granulométrie homogène. La porosité dans les zones en vrac est très faible ( 99 %, par rapport à la densité théorique, a été atteint.
The authors have nothing to disclose.
Ce projet reçoit une subvention de l’Union européenne Horizon 2020 programme de recherche et l’Innovation en vertu de l’accord de subvention N° 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 |