Dieses Manuskript beschreibt die Verarbeitung einzelner multifunktionale keramische Komponenten (z.B. Kombinationen von dichten porösen Strukturen) Additiv von Stereolithographie hergestellt.
Eine additive Fertigung-Technologie wird angewendet, um funktional abgestufte keramische Bauteile zu erhalten. Diese Technologie, basierend auf digitalen leichte Verarbeitung/Stereolithographie, ist im Rahmen des Europäischen Forschungsprojekts CerAMfacturing entwickelt. Eine dreidimensionale (3D) Hemi-Kiefer Knochen wie Struktur ist 3-d mit benutzerdefinierten Aluminiumoxid Polymeren Mischungen gedruckt. Pulver und Mischungen sind vollständig in Bezug auf die rheologischen Verhalten analysiert, um richtige Material-handling während des Druckvorgangs zu gewährleisten. Die Möglichkeit, funktional auszudrucken benotet Materialien unter Verwendung der Admaflex Technologie in diesem Dokument erläutert wird. Feldemission Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) zeigen, dass der gesintertem Aluminiumoxid Keramik Teil hat eine weniger als 1 % Porosität und kein Rest der ursprünglichen geschichtete Struktur findet sich nach Analyse.
Hochkomplexen technischen Keramik werden zunehmend nachgefragt in fast allen Bereichen der Anwendung, einschließlich der vielen industrielle Bereichen. Menschlichen Gesundheitswesen findet mehr und mehr Anwendungen durch die Leichtigkeit der Individualisierung der Produkte für jeden Patienten. In den letzten zehn Jahren hat additiver Fertigung die Möglichkeiten der einzelnen medizinischen Behandlungen verbessert.
Additive manufacturing (AM) ist eine Verarbeitungstechnologie, die die Übersetzung ein computergeneriertes 3D-Modell in ein physisches Produkt durch sequenzierte Zugabe von Material. In der Regel eine Reihe von 2-D-Schichten bilden einen Stapel, die Ergebnisse in eine 3D-Form, so dass die Produktion von Komponenten mit ein, so weit, noch nie da gewesenen Gestaltungsfreiheit. Dies gilt als State-of-the-Art shaping Technologie für Polymere und Metalle. Die erste industrielle Technologien für keramische Verarbeitung sind verfügbar1,2, und fast alle bekannten AM Technologien dienen AM Single-Material Keramik in Labors auf der ganzen Welt3,4, 5. Uhr, vor allem Stereolithographie, begann in den 1980er Jahren und wurde von Rumpf6entwickelt. Unterschiedlichen Ansätze und Materialien führen zu einer Vielzahl von Produkteigenschaften, wie Größe, Rauheit oder mechanischen Eigenschaften. Alle additive Fertigungsverfahren lassen sich in zwei Gruppen einteilen: lenken additiven Fertigung Technologien5, die auf die selektive Abscheidung des Materials (z.B., jetten Prozesse wie Direct Inkjet Material basieren Druck oder thermoplastischen 3D-Druck [T3DP])7,8,9,10und indirekte Additiven Fertigungstechnologien, die auf die selektive Konsolidierung des Materials beruhen die auf die gesamte Ebene (z. B.keramische Stereolithographie [SLA]) abgelegt wird.
Die Komplexität und die Bereitschaft der neuen Anwendungen verlangen eine Verbesserung der Uhr Keramik Verarbeitungstechnologien. Beispielsweise müssen besondere innovative industrielle und medizinische Anwendungen unterschiedliche Eigenschaften innerhalb der gleichen Komponente enthalten, die zu funktional benotet Materialien (FGMs) führt. Diese Materialien umfassen eine Vielzahl von Eigenschaften hinsichtlich Übergänge in der Mikrostruktur oder in der materiellen11. Diese Übergänge können diskret oder kontinuierlich sein. Verschiedene Arten von FGMs sind bekannt, wie z. B. Komponenten mit materiellen Steigungen oder abgestuften Porosität sowie mehrfarbige Komponenten. FGM-Komponenten können durch einzelne konventionelle Formgebung Technologien12,13,14,15,16,17 oder durch eine Kombination dieser Technologien gefertigt werden, zum Beispiel molding durch in-mould-labeling als eine Kombination von Band-Casting und Injektion18,19.
Um die Vorteile der Uhr mit den Vorteilen der FGMs Keramik-basierten 4D Komponenten20 (drei Dimensionen für die Geometrie und einen Freiheitsgrad bezüglich der Materialeigenschaften in jeder Position) zu kombinieren, Admatec Europa entwickelte eine Stereolithographie-basierte 3-d-Drucker im Rahmen des Europäischen Forschungsprojekts “CerAMfacturing” für die AM Multi-funktionale oder Multi-material-Komponenten.
Die Technologie angepasst FGM-Komponenten ist ein Stereolithographie-basierter Ansatz, der beschäftigt einen digitalen Licht Prozessor (DLP) als Lichtquelle mit einem digital Micromirror Vorrichtung Chip (DMD), verwendet, um ein Harz polymerisieren, die mit verschiedenen Pulvern gemischt werden kann. Die DMD-Chip hat eine Reihe von mehreren hunderttausend mikroskopisch kleine Spiegel, die entsprechen die Pixel im Bild angezeigt werden. Die Spiegel können einzeln gedreht werden, um eine on / off-Position des Pixels festgelegt. Die am meisten verwendeten Harze basieren auf Mischungen aus Acrylat und/oder Urethan Monomere. In diesen Mischungen fanden wir auch andere Zusätze, wie Licht-absorbierenden Photoinitiator Moleküle und Farbstoffe. Die Harzmischung wird in der Regel in einem Container oder Bad, auch Mehrwertsteuer genannt gegossen. Die Polymerisation wird durch die Reaktion eines Moleküls Photoinitiator (PI), mit dem Licht Photonen durch die DMD-Chip erzeugt induziert. Verschiedenen Harz Monomer Strukturen führen verschiedene Polymerisation, Schrumpfung und die endgültige Struktur. Zum Beispiel wirkt sich die Verwendung von monofunktionalen Monomere vs. polyfunktionalen Monomere in der Vernetzung von Polymeren Netzwerk.
Einer der wichtigsten Parameter zu berücksichtigen mit keramischen SLA ist die Lichtstreuung Effekt entsteht, wenn Licht (Photonen) durch verschiedene Materialien durchquert. Dies ist stark beeinflussen; in diesem Fall werden die Harze mit einer Menge an Pulver, eine Aussetzung oder Gülle zu generieren kombiniert. Die Gülle besteht dann aus Materialien, die einen unterschiedlichen Brechungsindex, das Licht zu präsentieren. Ein großer Unterschied zwischen den Werten der Brechungsindex des Harzes und das Pulver wirkt sich auf die Maßhaltigkeit der Schichten, die Polymerisation-Preise und die leichte Gesamtdosis die Polymerisationsreaktion auslösen. Wenn Licht die Suspension tritt, beugen die Pulverpartikel (d.h., Keramik, Metall oder anderen Polymeren) den Lichtweg. Dieser Effekt verursacht eine Änderung in den Originalpfad (bestrahlten) Photonen. Wenn die Photonen eine Flugbahn schräg zur Exposition Richtung haben, können sie eine Polymerisationsreaktion an einem Ort generieren, die quer zur ursprünglichen Richtung sein kann. Dieses Phänomen führt zu Überbelichtung, wenn die ausgehärtete Gülle größer als die exponierte Fläche erstreckt. Ebenso wird es unter-aussetzen, wenn die ausgehärtete Gülle Schicht kleiner als die ursprünglich ausgesetzt ist.
Innerhalb der Handschrift bezeichnet man die Suche nach der AM Aluminiumoxid Komponenten verbindet ein dichtes und makroporösen Struktur, über die Admaflex-Technologie realisiert. Wie im europäischen Forschungsprojekt “CerAMfacturing” erklärt, benötigt die Produktion von FGM Keramikteile eine hohe Auflösung und gute Oberflächeneigenschaften, die anspruchsvollen Anwendungen gerecht zu werden. DLP-KÖRAFORM Technologien, wie Sie hier beschrieben wird, können die Forscher solche Keramik-basierte, voll funktionsfähigen Komponenten zu erhalten.
Für medizinische Implantate muss der Rohstoff von hoher Reinheit, idealerweise von 99,9 % und höher. In diesem Projekt ist eine nichtkommerzielle Tonerde Pulver mit einem engen Korngrößenverteilung, eine durchschnittliche Partikel Größe < 0,5 µm und einer spezifischen Oberfläche von ca. 7 m2/g verwendet. Alternativ ist es auch möglich, kommerzielle stoffliche Zusammensetzungen zu verwenden.
Um die am besten geeigneten Umgang mit Bedingungen für diese besondere Keramik-Polymer-Schlämme zu erreichen, verwenden Sie die oben genannten Drucktechnologie. Diese Technologie verfügt über ein Transportsystem für die Folie, die die Gülle aus einem Reservoir um den Druckbereich trägt. Der Druckbereich besteht aus einer transparenten Glasfläche an der Unterseite, unter denen ist, dass die Projekte die in Scheiben geschnittenen Schichten eine Lichtquelle. An der Spitze der Druckbereich ist eine Gebäude-Plattform, die vertikal durch eine z-Folie oben und unten bewegen kann. Das Produkt hängt dann, auf der Oberfläche der Druck Metallplatte, die durch Vakuum-Saug über den Druckbereich befestigt werden kann. Die unbenutzte Gülle wird dann durch einen Scheibenwischer, überholte und pumpte zurück zu der ursprünglichen Reservoir, wodurch einen geschlossener Kreislauf ermöglicht es Forschern, die Gülle wiederzuverwenden, die nicht für den Bau des 3D-Modells verbraucht wurde gesammelt. Verschiedene Software-Parameter können geändert werden, um den Prozess zu verschiedenen Gülle Kompositionen und keramischen Füllstoffen anpassen. Der Drucker muss in einem Raum mit kontrollierten Licht, Temperatur und Luftfeuchtigkeit Einstellungen platziert werden. Der Raum muss für das äußere Licht mit einem UV-Filter versehen werden; Darüber hinaus empfiehlt es sich, eine Temperatur von ca. 20-24 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 40 % haben. Die FESEM Bildgebung zeigt eine deutlich größere durchschnittliche Partikelgröße von Aluminiumoxid-Pulver nach Deagglomerisation, im Vergleich zu den theoretischen 0,45-µm Aluminiumoxid Materialanalysen durch den Lieferanten. Dies lässt sich in Bezug auf die Agglomeration. Während der Trocknung, nach dem Deagglomerisation-Schritt agglomerieren erneut die Partikel, wie in Abbildung 1zu sehen. Während der Aussetzung Vorbereitung können die neu agglomerierten Partikel Dank der Oberfläche Funktionalisierung Schritt verteilt werden. Eine kleinere scheinbare Korngröße kann man in der FESEM Bildgebung des Schlickers in Abbildung 3.
Bezug auf das rheologische Verhalten sollte eine ideale Gülle für SLA Keramiktechnologie (z.B. Admaflex Technologie) eine Schere Ausdünnung Verhalten (d. h., abnehmende dynamische Viskosität bei höheren Schergeschwindigkeiten) haben. Für eine optimale Besetzung auf unterstützende Folie oder Nutzung innerhalb einer Dosiereinheit sollte die dynamische Viskosität bei einer idealen Bereich bei niedrigen Scherraten gehalten werden. Bei zu hoch dynamische Viskosität bei niedrigen Schergeschwindigkeiten könnte das Casting der Gülle Schicht von 200 µm durch das Fehlen der Strömung um die Lücke unter den Rakel behindert werden. Wenn die dynamische Viskosität zu niedrig ist, kann die Aussetzung von selbst aus dem Behälter unter die Klinge oder Weg von der Folie Unterstützung durch natürliche Strömung (Schwerkraft) fließen. Für alle untersuchten Suspensionen sinkt die dynamische Viskosität mit eine zunehmende Scherrate. Die optimale Federung Fließverhalten ist gegeben durch Zusammensetzung 1 (Abbildung 2). Verschiedene Veränderungen in der Zusammensetzung der Gülle beeinflussen das rheologische Verhalten des Fahrwerks. Das optimale Fließverhalten mit eine niedrige dynamische Viskosität in den gewünschten Bereich wurde durch die Aussetzung erreicht compound 1. Eine Zunahme von Pulver Inhalt oder einen nicht optimalen Gehalt an Dispergiermittel (Verbindung 2) und eine Änderung des Bindemittel-Vernetzer Verhältnisses mit einer höheren Menge an multifunktionalen Vernetzer (Komposition 3) führte zu einer Erhöhung der dynamischen Viskosität nachteilig für den Prozess. Wenn die Pulveranteil niedriger ist, wird zusammen mit einem niedrigeren Gehalt an multifunktionalen Vernetzer und in Kombination mit einem nicht optimalen Gehalt an Dispergiermittel (Komposition 4), die dynamische Viskosität stark reduziert zu einer instabilen führen, Aufhängung.
Die Änderung in Speicher-Modul G´ die Schlämme auf Lichteinstrahlung kann helfen, erfahren Sie mehr über das heilende Verhalten der Suspensionen. Dies wird ergänzt durch experimentelle Tests auf die Tiefe an das Druckgerät selbst zu heilen. Das heilende Verhalten bei verschiedenen Polymerisationszeiten war eine Aluminiumoxid-Federung mit einer optimalen rheologische Verhalten geprägt. Vor der Aushärtung beginnt, das Fahrwerk zeigt ein niedriges Niveau der G´ und stellt Werte unter 100 Pa. Wenn beginnt zu heilen, kann eine Polymerisation der photoreaktiven organischer Stoffe durch eine Erhöhung des G´ auf eine höhere Ebene abgeleitet werden. Mit einer zunehmenden Aushärtezeit die Steigung der G´ steigt auf ein Maximum in einem Bereich von 105 bis 107 Pa, die abhängig von der Zusammensetzung. Aushärtezeit von 1 s führte zu eine endgültige G´ unter 106 Pa, was für eine minimale nötige Kraft nicht ausreicht. Mit einer zunehmenden Aushärtezeit wird mehr Energie (Photonen) an der Aufhängung geliefert, führt zu einer höheren G´ durch eine schnellere und höhere Grad der Umwandlung (höhere Neigung). Die optimale Aushärtezeit für die entwickelten Tonerde Suspension sollte in einem Bereich von 2 bis 3 s. Mit einer Aushärtezeit von 4 s, die letzte Stufe der G´ und die Härtung Neigung haben große Werte über 2 x 106 PA. Der Umbau ist fast abgeschlossen und fast keine noch nicht ausgehärteten Polymeren bestehen. Rlichem Gülle und eine übermäßige Verhärtung des Polymers, wodurch eine spröde Struktur, die sich nachteilig auf die Anlage des Produkts mit der Bauplattform hat kann weitere Energie-Versorgung führen.
Die Single-FGM Test Komponente ausgewählt für diese Handschrift ist eine Hemi-Kiefer Implantat-Struktur, die eine Dichte Außenschale und einen porösen Knochen wie zentralen Kern enthält, wie in Abbildung 5zu entnehmen. Dieses Modell könnte Additiv hergestellt und gesintert, fehlerfreie, wie durch die FESEM Bildgebung zu sehen. Feine Strukturen und Wandstärken (weniger als 0,1 mm) realisiert werden können und keine offensichtlichen Deformation während des Sinterns aufgetreten ist. Es wurde festgestellt, dass die Mikrostruktur der einzelnen Aluminiumoxid-Komponenten für die keramische Verarbeitung von Aluminiumoxid bei bestimmten Sintern Temperaturen mit einer homogenen Korngröße typisch ist. Die Porosität im Bereich Schüttgut ist sehr niedrig ( 99 %, im Vergleich zu der theoretischen Dichte erreicht wurde.
The authors have nothing to disclose.
Dieses Projekt wird finanziell von der Europäischen Union Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm unter Grant Agreement No 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 |