本手稿描述了由立体平版印刷制造的单个多功能陶瓷部件 (例如, 致密多孔结构的组合) 的加工过程。
采用添加剂制造技术获得功能梯度陶瓷零件。这项基于数字光处理系统平版印刷的技术是在 ceram与此同时欧洲研究项目的范围内开发的。三维 (三维) 半上颌骨状结构是使用定制的氧化铝聚合物混合物三维打印。粉末和混合物在流变行为方面进行全面分析, 以确保在印刷过程中正确处理材料。本文档解释了使用 admaflex 技术打印功能分级材料的可能性。现场发射扫描电子显微镜 (fesem) 表明, 烧结氧化铝陶瓷部分的孔隙率低于 1%, 分析后未发现原层状结构的剩余部分。
高复杂的技术陶瓷在几乎每个应用领域都越来越受到需求, 包括许多工业领域。由于每个患者的产品易于个性化, 人类医疗领域的应用越来越多。在过去的十年里, 添加剂制造增强了个人医疗的选择。
添加剂制造 (am) 是一种处理技术, 它允许通过按顺序添加材料将计算机生成的三维模型转换为物理产品。一般来说, 一系列的二维图层形成一个堆栈, 形成三维形状, 允许生产具有前所未有的设计自由度的组件。这被认为是最先进的聚合物和金属成型技术。陶瓷加工的第一批工业技术有1,2, 几乎所有已知的 am 技术都用于世界各地实验室的单材料陶瓷 am3,4, 5。am, 特别是立体平版印刷, 始于 20世纪80年代, 由 hull6开发。不同的制造方法和材料会导致各种产品性能, 如尺寸、粗糙度或机械性能。所有的添加剂制造技术都可以分为两类: 直接添加剂制造技术5, 这些技术基于材料的选择性沉积 (例如, 直接喷墨等材料喷射工艺)印刷或热塑性三维印刷 [t3dp]7、8、9、10和间接添加剂制造技术, 这些技术基于材料的选择性整合它沉积在整个层 (例如, 陶瓷立体平版印刷 [sla])。
新应用的复杂性和准备程度要求改进 am 陶瓷加工技术。例如, 特殊的创新工业或医疗应用必须在同一组件中包含不同的属性, 从而产生功能分级材料 (fgm)。这些材料包括与微观结构或材料11中的过渡有关的各种特性。这些转换可以是离散的, 也可以是连续的。已知有不同种类的 fgm, 例如具有材料梯度或分级孔隙率的组件, 以及多色组件。切割女性生殖器官的成分可以通过单一的常规成型技术制造,12、13、14、15、16、17, 也可以通过这些技术的结合制造,例如, 通过模内贴标作为胶带铸造和注塑的组合18,19。
为了将 am 的优势与 fgm 的优势与基于陶瓷的4-d 组件20 (几何尺寸的三维尺寸和每个位置的材料特性的一个自由度) 结合起来, admatec europe 开发了基于立体平版印刷的三维打印设备在 “ceram高技术” 欧洲研究项目中的 am 的多功能或多材料组件。
适用于切割女性生殖器官成分的技术是一种基于立体平版印刷的方法, 它采用数字光处理器 (dlp) 作为光源, 其中包含一个数字微镜设备芯片 (dmd), 用于聚合可与不同粉末混合的树脂。dmd 芯片有一个由几十万面镜组成的阵列, 这些反射镜对应于要显示的图像中的像素。可以单独旋转镜像, 以设置像素的开关位置。最常用的树脂是基于丙烯酸酯和/或聚氨酯单体的混合物。在这些混合物中, 我们还发现了其他添加剂, 如吸光光引发剂分子和染料。树脂混合物通常被倒进容器或浴缸, 也被称为大桶。聚合是由光引发剂分子 (pi) 与 dmd 芯片产生的光光子反应引起的。不同的树脂单体结构可能会导致不同的聚合速率、收缩率和最终结构。例如, 使用单官能单聚物与多官能单体的使用会对聚合物网络的交联产生影响。
陶瓷 sla 需要考虑的最重要的参数之一是光 (光子) 穿过不同材料时产生的光散射效应。这是高度影响;在这种情况下, 树脂与一定数量的粉末结合产生悬浮液或浆料。因此, 浆料是由对光线表现出不同折射率的材料组成的。树脂和粉末的折射率值之间的很大差异会影响层的尺寸精度、聚合速率以及触发聚合反应的总光剂量。当光线进入悬浮液时, 粉末颗粒 (即陶瓷、金属或其他聚合物) 在光路径上衍射。这种效应导致 (辐照) 光子的原始路径发生变化。如果光子的轨迹斜向曝光方向, 它们可能会在可以横向到原始方向的位置产生聚合反应。当固化浆料的面积大于暴露面积时, 这种现象会导致过度暴露。同样, 当固化的浆料层小于最初暴露的区域时, 它也会被暴露不足。
在手稿中, 介绍了利用 admaflex 技术实现的氧化铝成分的 am 组合致密和大孔结构的研究。正如 “陶瓷制造” 欧洲研究项目所解释的, fgm 陶瓷部件的生产需要高分辨率和良好的表面性能, 以满足苛刻的应用要求。dlp 立体平版印刷技术, 如这里描述的技术, 使研究人员能够获得这种基于陶瓷的、功能齐全的成分。
对于医用植入物, 原料必须纯度高, 理想情况下为99.9% 及更高。在该项目中, 使用了粒径分布较窄、平均粒径 < 0.5 微米、具体表面约为7米2/g 的非商业氧化铝粉末。或者, 也可以使用商业材料组合物。
为了达到这些特殊陶瓷聚合物浆料最合适的处理条件, 请使用上述印刷技术。该技术配备了运输箔系统, 将浆料从储罐输送到印刷区。打印区域由底部的透明玻璃表面组成, 在该表面下有一个投射切片层的光源。在打印区域的顶部, 有一个建筑平台, 可以通过 z 轴幻灯片垂直和向下移动。然后, 该产品挂在可通过真空吸力连接的金属印版表面, 挂在印刷区域上方。然后, 未使用的泥浆由雨刮器收集, 重新处理, 并泵送回原来的水库, 从而创建一个闭路电路, 使研究人员能够重复使用未用于构建三维模型的泥浆。为了适应不同的浆料成分和陶瓷填料, 可以改变不同的软件参数。打印机必须放置在具有受控光线、温度和湿度设置的房间中。房间必须配备外部光线的紫外线过滤器;此外, 建议温度在20-24°c 左右, 相对湿度低于40%。与供应商理论上的0.45 微米氧化铝材料分析相比, fesem 成像显示, 脱聚后氧化铝粉的平均粒径明显较大。这可以用聚集来解释。在干燥过程中, 在去聚步骤之后, 颗粒会重新聚集, 如图 1d所示。在悬浮液制备过程中, 由于表面功能化步骤, 可分散再团聚的颗粒。在图 3中, 在浆料的 fesem 成像中可以看到较小的表观颗粒大小。
关于流变特性, 陶瓷 sla 技术 (例如admaflex 技术) 的理想浆料应具有剪切变薄行为 (即在较高的剪切速率下降低动态粘度)。为了在支撑箔上进行最佳铸造或在点胶单元内使用, 动态粘度应保持在较低剪切速率的理想范围内。在低剪切速率下动态粘度过高的情况下, 由于缺乏流量来填补医生刀片下的间隙, 200 微米的浆料层的浇注可能会受到阻碍。如果动态粘度太低, 悬浮液可能会自行从叶片下方的储层流出, 或由于自然流动 (重力) 而远离支撑箔。对于所有被调查的悬浮液, 动态粘度随剪切速率的增加而降低。组合物1给出了最佳悬浮流行为 (图 2)。浆料成分的不同变化会影响悬浮液的流变行为。悬浮液化合物1在所需范围内实现了低动态粘度的最佳流动行为。粉末含量的增加或分散剂 (化合物 2) 的非最佳含量, 以及使用更多的多功能交联剂 (组合物 3) 改变粘结剂比, 导致动态粘度的增加,不利的过程。如果粉末含量较低, 再加上多功能交联剂含量较低, 再加上分散剂 (组合物 4) 的非最佳含量, 动态粘度就会大大降低, 可能导致不稳定悬 架。
在光照射下, 浆料的储存模量 g 的变化有助于了解更多关于悬浮液固化行为的信息。此外, 还对印刷设备本身的固化深度进行了实验测试。对具有最佳流变性能的氧化铝悬浮液在不同固化时间的固化行为进行了表征。在固化开始之前, 悬浮液显示出较低的 g ‘ 水平, 并显示低于100帕的值。当固化开始时, 光反应活性有机物的聚合可以通过 g 的增加推断到更高的水平。随着固化时间的增加, g 的斜率在 105至 107 pa 的范围内增加到最大值, 这取决于成分。固化时间为 1秒, 最终 g ‘ 在 106 pa 以下, 这不足以达到最低限度的必要强度。随着固化时间的增加, 更多的能量 (光子) 被提供给悬浮液, 这导致了更高的 g ‘ 由于更快和更高的转换程度 (更高的坡度)。开发的氧化铝悬浮液的最佳固化时间应在2至3秒的范围内。在固化时间为4秒的情况下, g ‘ 和固化斜率的最终水平具有较大的值, 高于 2 x10 6 pa.转换几乎是完整的, 几乎不存在未固化的聚合物。进一步的能源供应可能会导致浆料过度硫化和聚合物过度硬化, 从而导致脆性结构, 对产品与建筑平台的连接产生不利影响。
为这份手稿选择的单 fmt 测试组件是一个半上颌骨植入物结构, 包含一个致密的外壳和一个多孔骨状的中心核心, 如图 5所示。这种模型可以是辅助制造和烧结无缺陷, 如 fesem 成像所看到的。可实现精细结构和壁厚 (小于 0.1 mm), 在烧结过程中不发生明显变形。研究发现, 在一定的烧结温度下, 单氧化铝组分的微观结构是氧化铝陶瓷加工的典型, 晶粒尺寸均匀。与理论密度相比, 块区的孔隙率很低 ( 99%。
The authors have nothing to disclose.
该项目根据《豁免8503赠款协议》获得了欧洲联盟 “地平线2020研究和创新” 方案的资助。
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