Эта рукопись описывается обработка одного многофункционального керамические компоненты (например, сочетания плотной пористой структуры) аддитивно производимый стереолитографии.
Для получения функционально градуированных керамических деталей применяется технология аддитивного производства. Эта технология, основанный на цифровой обработки света/стереолитографии, разрабатывается в рамках Европейского исследовательского проекта CerAMfacturing. Трехмерной (3-D) hemi верхнечелюстной кости как структура является 3-D, печатаются с использованием пользовательских оксида алюминия полимерных смесей. Порошки и смеси полностью анализируются с точки зрения реологических поведение для обеспечения надлежащей обработки во время процесса печатания материалов. Возможность распечатать функционально градуированные материалов с использованием Admaflex технологии объясняется в этом документе. Автоэмиссионные растровая электронная микроскопия (FESEM) показывают, что в части керамическая спеченного оксида алюминия имеет пористость, ниже, чем 1% и не остаток первоначальной слоистой структуры найдена после анализа.
Высок сложных технической керамики все чаще пользуются спросом в почти каждой области приложения, в том числе многих промышленных районов. Области человеческого здравоохранения находит все больше и больше приложений благодаря легкости индивидуализации продукции для каждого пациента. В течение последнего десятилетия аддитивного производства расширила варианты индивидуального лечения.
Аддитивные производства (AM) — это технология обработки, который позволяет перевод компьютерной модели 3-D на физический продукт путем последовательного добавления материала. В общем, серия 2-D слои образуют стек, что результаты в форме 3-D, позволяя производство компонентов, так далеко, беспрецедентную свободу дизайна. Это считается равным последнему слову формировать технология металлов и полимеров. Первые промышленные технологии для обработки керамических доступны в1,2, и почти все известные AM технологии используются для AM сингл материал керамика в лабораториях во всем мире3,4, 5. AM, особенно стереолитографии, началось в 1980-х и был разработан корпуса6. Различных производственных подходы и материалов приводят к различные свойства продукта, например, размер, шероховатость или механических свойств. Все методы аддитивного производства могут быть разделены на две группы: прямые Аддитивные производства5технологий, которые основаны на избирательного осаждения материала (например, материал, струйная процессы как прямой струйный Печать или термопластичный 3-D печати [T3DP])7,8,9,10и косвенные аддитивного производства технологии, которые основаны на выборочной консолидации материала который осаждается на весь слой (например, керамические стереолитографии [ОАС]).
Сложность и готовность новых приложений требуют улучшения технологий обработки керамических AM. К примеру специальные инновационные промышленные или медицинских приложений должны включать различные свойства в пределах компонента-тот же, что приводит к функционально градуированные материалов (FGMs). Эти материалы включают в себя разнообразные свойства, касающиеся переходы в микроструктуры или материала11. Эти переходы могут быть дискретными или непрерывными. Известно, как компоненты с материала градиенты или градуированные пористость, а также разноцветные компонентами являются различные виды FGMs. КЖПО компоненты могут быть изготовлены путем одного обычного формирование технологии12,13,14,15,16,17 или сочетание этих технологий, например путем в процессе формования маркировки как сочетание ленты литья и литья18,19.
Чтобы объединить преимущества утра с преимуществами FGMs на керамической основе компоненты 4-D20 (три измерения геометрии и одна степень свободы, относительно свойства материала в каждой позиции), разработал Admatec Европы на основе стереолитографии 3-D печатающее устройство в рамках Европейского исследовательского проекта «CerAMfacturing» для AM многофункциональный или нескольких материальных компонентов.
Технологий, адаптированных для компонентов КЖО является подход, основанный на стереолитографии, который использует цифровой процессор света (DLP) в качестве источника света, содержащие цифровой micromirror устройство чип (DMD), используемый для полимеризации смолы, который можно смешивать с различными порошками. DMD чипа имеет массив нескольких сотен тысяч микроскопические зеркала, которые соответствуют пикселей в изображении будет отображаться. Зеркала может поворачиваться индивидуально, чтобы задать положение вкл выкл пикселя. Чаще всего занятого смолы основаны на смесях акрилатных и/или уретана мономеров. В этих смесях мы также нашли другие добавки, такие как поглощающие свет фотоинициатора молекул и красители. Смесь смолы обычно наливают в ванной, также называется НДС или контейнера. Полимеризации индуцированный реакции фотоинициатора молекулы (PI), с легкой фотонов, порожденных DMD чипа. Различные смолы мономера структур может привести к полимеризации разных ставок, усадки и окончательной структуры. Например использование монофункциональный мономеров против Полифункциональные мономеры имеет эффект в сшивки полимерных сети.
Одним из наиболее важных параметров, принимать во внимание с керамической ОАС является светорассеивающего эффект когда света (фотонов) проходит через различные материалы. Это сильно влияет; в этом случае смолы в сочетании с количество порошка для создания подвеска или пульпы. Затем, пульпы состоит из материалов, которые представляют разные преломления света. Большая разница между преломления значения смола и порошок влияет на точность размеров слои, ставки полимеризации и общая доза света для инициирования реакции полимеризации. Когда свет попадает подвеска, частиц порошка (то есть, керамики, металла или другие полимеры) излучению света путь. Этот эффект вызывает изменения в исходный путь (облученного) фотонов. Если фотоны имеют траектории косой в направлении облучения, они могут генерировать реакции полимеризации в месте, которое может быть поперечные для первоначального направления. Это явление приводит к передержки, когда вылечить пульпа площадью больше открытые области. Аналогичным образом она будет заместитель разоблачить, когда вылечить пульпы слой меньше первоначально пострадавшего района.
В рукописи исследования для AM компонентов глинозема, сочетая плотной и структуры Макропористые, реализованы с использованием технологии Admaflex, описан. Как поясняется в Европейский исследовательский проект «CerAMfacturing», производство керамических деталей КЖПО требует высокого разрешения и хорошие свойства поверхности для удовлетворения требовательных приложений. DLP stereolithographic технологии, такие как один описаны здесь, позволяет исследователям получить такие на керамической основе, полностью функциональные компоненты.
Для медицинских имплантатов сырье должно быть высокой чистоты, идеально 99,9% и выше. В этом проекте используется глинозем некоммерческих порошок с узкий гранулометрический состав, средняя частиц размер < 0,5 мкм и удельная поверхность приблизительно 7 м2/г. Кроме того это также можно использовать коммерческие материала композиций.
Для достижения наиболее подходящие условия обработки для этих конкретных суспензии керамики полимер, используйте вышеупомянутые технологии печати. Эта технология оснащен фольги транспортной системы, которая несет навозной жижи из водохранилища области печати. Области печати состоит из поверхности прозрачного стекла на дне, под которой есть источник света, что проекты нарезанные слои. В верхней части области печати это здание платформа, которая может перемещаться вертикально вверх и вниз благодаря слайд по оси z. Продукт, затем, висит на поверхности листовой печати, которые могут быть прикреплены к вакуумного всасывания, выше области печати. Неиспользованный раствор затем собранные стеклоочиститель, восстановленные и накачкой обратно в оригинальный водохранилище, таким образом создавая замкнутый контур, который позволяет исследователей повторное использование суспензии, которая не потребляется для строительства трехмерной модели. Различные программные параметры могут быть изменены для того, чтобы адаптировать процесс композиции различные шлама и керамические наполнители. Принтер должны быть помещены в комнате с контролируемой света, температуры и влажности параметры. Номер должны быть оборудованы УФ фильтр для внешнего света; Кроме того рекомендуется иметь температуру около 20-24 ° C и относительной влажности воздуха ниже 40%. FESEM изображений показывает явно больше средний размер частиц порошка оксида алюминия после дезагломерация, по сравнению с теоретической 0,45 мкм глинозема материальные анализы поставщиком. Это можно объяснить с точки зрения агломерации. Во время сушки, после шага смачивание, частицы повторно агломерат, как показано на рисунке 1 d. Во время подготовки подвеска, повторно спеченного частиц можно разогнаться благодаря поверхности функционализации шаг. Меньший размер очевидной частиц можно увидеть в FESEM изображений навозной жижи на рисунке 3.
Касается реологических поведение идеальный суспензии для керамической технологии SLA (например, технология Admaflex) должны иметь ножниц прореживания поведение (например, уменьшение динамической вязкости на более высоких скоростях сдвига). Для оптимального литой на поддержки фольги или использования в дозатор динамическая вязкость должна быть сохранена в идеальный диапазон ставкам низкой сдвига. В случае слишком высокая динамическая вязкость при низких сдвига ставок кастинг слоем суспензии 200 мкм могут затрудняется отсутствием потока для заполнения разрыва под ракельный нож. Если динамическая вязкость это слишком низкая, подвеска могут вытекать сама по себе водохранилища ниже лезвия или от поддержки фольги из-за естественного потока (гравитации). Для всех исследованных суспензий динамическая вязкость уменьшается с увеличения скорости сдвига. Поведение потока оптимальные подвески дается композиция 1 (рис. 2). Различные изменения в составе навозной жижи влияет на реологические поведение подвески. Оптимальный поток поведение с низкой динамической вязкости в требуемого диапазона было достигнуто путем приостановления соединения 1. Увеличение содержания порошок или неоптимальные содержание диспергатор (соединение 2) и изменения соотношения вяжущего сшивателя, используя большее количество многофункциональный сшивателя (композиция 3) привело к увеличению динамической вязкости неавантажно для процесса. Если порошок содержание ниже, вместе с более низким содержанием многофункциональный сшивателя и в сочетании с неоптимальным содержанием диспергатор (композиция 4), динамическая вязкость сильно снижается, что может привести к нестабильной подвеска.
Изменения в модуль хранения G´ суспензий на свет облучение может помочь узнать больше о отверждение суспензий. Это дополняется экспериментальных испытаний на глубине отверждения на самом устройстве печати. В разное время отверждения отверждение характеризовался для глинозема подвеска с оптимальной реологических поведение. До отверждения начинается, подвеска показывает низкий уровень G´ и представляет значения ниже-100 Па. При отверждении начинается, полимеризации photoreactive органики может быть выведено увеличение G´ на более высокий уровень. С все время отвердения, склон G´ увеличивает до максимума в диапазоне 10 от5 до 10-7 ПА, которая зависит от состава. Время отверждения 1 s привело к окончательной G´ ниже 106 ПА, которой не хватает для минимальной необходимой силы. С увеличение время отвердения больше энергии (фотонов) поставляется подвеска, что приводит к более G´ результате быстрее и выше степень конверсии (выше склон). Оптимальное время отверждения для развитых глинозема подвеска должна быть в диапазоне от 2 до 3 s. С время отверждения 4 s, последний уровень G´ и отверждения склона имеют большие значения, выше 2 x 10-6 ПА. Преобразование является почти полное и почти не неотвержденных полимеров существует. Дальнейшие поставки энергии может привести к overcuring навозной жижи и чрезмерное упрочнения полимера, что приводит к хрупкой структуры, которая отрицательно сказывается на вложении продукта с платформой здания.
Сингл КЖПО компонент тестирования выбран для этой рукописи является структурой hemi верхнечелюстной имплантат, содержащую плотной внешней оболочки и пористые кости как центральное ядро, как видно на рисунке 5. Эта модель может аддитивно изготовленн и спеченные дефектов, как видно по FESEM изображений. Тонких структур и толщины стенок (менее 0,1 мм) могут быть реализованы, и не очевидно деформации во время обжига. Было установлено, что типично для керамических Обработка глинозема на данной спекания температурах, с величиной однородной микроструктуры компонентов единого глинозема. Пористость в районах массового является очень низким ( 99%, по сравнению с теоретической плотности, была достигнута.
The authors have nothing to disclose.
Этот проект получил финансирование от Европейского союза Horizon 2020 исследовательской и инновационной программы под Грант соглашение 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 |