Dit manuscript wordt de verwerking van één multifunctionele keramische onderdelen (bv, combinaties van dichte-poreuze structuren) addiditief vervaardigd door stereolithography beschreven.
Een additief productietechnologie wordt toegepast om te verkrijgen van functioneel graded keramische delen. Deze technologie, gebaseerd op digitale lichte verwerking/Stereolithografie, is ontwikkeld binnen het toepassingsgebied van het Europese onderzoeksproject van de CerAMfacturing. Een driedimensionale (3D) hemi-maxillaire bot-achtige structuur is 3-D afgedrukt met behulp van aangepaste aluminium oxide polymere mengsels. De poeders en mengsels zijn volledig in termen van Rheologische gedrag geanalyseerd met het oog op een juiste materiaal behandelingsapparatuur tijdens het drukproces. De mogelijkheid om af te drukken functioneel ingedeeld materialen met behulp van de Admaflex technologie in dit document wordt uitgelegd. Veld-emissie scanning elektronen microscopie (FESEM) blijkt dat de keramische deel van gesinterd aluminiumoxide heeft een minder dan 1% porositeit en geen restant van de originele gelaagde structuur kan gevonden worden na analyse.
Hoge-complex technisch keramiek zijn steeds meer in vraag in bijna elk gebied van toepassing, met inbegrip van vele industriële gebieden. Het gebied van menselijke gezondheidszorg vindt meer en meer toepassingen als gevolg van het gemak van de individualisering van de producten voor elke patiënt. In het laatste decennium, heeft additieve productie verbeterd de opties van de individuele medische behandelingen.
Additive manufacturing (AM) is een technologie waarmee de vertaling van een computer-gegenereerde 3D-model in een fysiek product door gesequenceerd toevoeging van materiaal. In het algemeen, een reeks van 2D-lagen vormen een stapel die resulteert in een 3D-shape, waardoor de productie van componenten met een, tot nu toe, ongekende vrijheid van ontwerp. Dit wordt beschouwd als state-of-the-art vormgeving technologie voor polymeren en metalen. De eerste industriële technologieën voor keramische verwerking zijn beschikbaar1,2, en bijna alle bekende AM technologieën worden gebruikt voor AM van single-materiaal keramiek in laboratoria over de hele wereld3,4, 5. AM, met name Stereolithografie, begon in de jaren 1980 en werd ontwikkeld door Hull,6. Verschillende productie benaderingen en materialen leiden tot een verscheidenheid van producteigenschappen, zoals grootte, ruwheid of mechanische eigenschappen. Alle additieve productietechnieken kunnen worden ingedeeld in twee groepen: directe toevoegingsmiddel productie technologieën5, die zijn gebaseerd op de selectieve afzetting van het materiaal (bijv., materiaal jetting processen zoals directe Inkjet Afdrukken of thermoplastisch 3D-Printing [T3DP])7,8,9,10, en indirecte additieve fabricagetechnologieën, die zijn gebaseerd op de selectieve consolidatie van het materiaal die wordt gestort op de hele laag (bijvoorbeeldkeramische stereolithography [SLA]).
De complexiteit en de bereidheid van de nieuwe toepassingen eisen een verbetering van de technologieën van de keramiek verwerking AM. Bijvoorbeeld hebben speciale innovatieve industriële of medische toepassingen om verschillende eigenschappen binnen de zeer dezelfde component, die tot functioneel ingedeeld materialen (FGMs leidt) te nemen. Deze materialen omvatten een scala aan eigenschappen betreffende overgangen in de microstructuur of de materiële11. Deze overgangen kunnen discreet of continu. Verschillende soorten FGMs zijn bekend, zoals componenten met materiële verlopen of gesorteerde porositeit, alsmede multi-gekleurde componenten. VGV onderdelen kunnen worden vervaardigd door enkele conventionele vormgeving technologieën12,13,14,15,16,17 of een combinatie van deze technologieën, bijvoorbeeld molding door in-vorm labelen als een combinatie van tape gieten en injectie18,19.
Als u wilt combineren de voordelen van AM met de voordelen van FGMs tot keramische gebaseerde 4-D componenten20 (drie dimensies voor de meetkunde en een mate van vrijheid omtrent de materiële eigenschappen op elke positie), Admatec Europa heeft ontwikkeld een Stereolithography-gebaseerde 3D-afdrukapparaat binnen het Europese onderzoeksproject “CerAMfacturing” voor de AM van de multi-functionele of multi materiële elementen.
De technologie aangepast voor FGM componenten is een stereolithography gebaseerde benadering die gebruikmaakt van een digitale lichte processor (DLP) als lichtbron met een digital micromirror device chip (DMD), gebruikt om het polymeriseren van een hars die kan worden gemengd met verschillende poeders. De DMD-chip heeft een scala van verschillende honderdduizenden microscopisch kleine spiegels, die overeenkomen met de pixels in de afbeelding moet worden weergegeven. De spiegels kunnen individueel worden gedraaid om een aan / uit-positie van de pixel. De meest voorkomende werknemer harsen berusten op de mengsels van acrylaat en/of urethaan monomeren. In deze mengsels vonden we ook andere additieven, zoals licht absorberende photoinitiator moleculen en kleurstoffen. Het mengsel van de hars is meestal gegoten in een container of bad, een afkorting voor BTW. De polymerisatie wordt veroorzaakt door de reactie van een photoinitiator molecuul (PI), met de lichte fotonen gegenereerd door de DMD-chip. Verschillende hars monomeer structuren kunnen resulteren in verschillende polymerisatie tarieven, krimp en uiteindelijke structuur. Bijvoorbeeld, heeft het gebruik van monofunctional monomeren vs. multifunctionele monomeren een effect in de cross-linking van het polymeer netwerk.
Een van de belangrijkste parameters rekening met keramische SLA is het effect van de licht-verstrooiing geproduceerd wanneer licht (fotonen) door middel van verschillende materialen doorkruist. Dit is sterk van invloed; in dit geval worden de harsen gecombineerd met een bedrag van poeder om een opschorting of drijfmest te genereren. De gier, vervolgens bestaat uit materialen die een verschillende brekingsindex aan het licht te presenteren. Een groot verschil tussen de waarden van de brekingsindex van de hars en het poeder van invloed is op de dimensionale nauwkeurigheid van de lagen, de polymerisatie-tarieven en de totale lichte dosis om trigger de polymerisatie-reactie. Als licht de schorsing binnenkomt, diffract het poeder deeltjes (d.w.z., keramiek, metaal of andere polymeren) het licht weg. Dit effect induceert een verandering in het oorspronkelijke pad van de (bestraalde) fotonen. Als de fotonen een traject schuin in de richting van de belichting hebben, kunnen ze een polymerisatie-reactie op een locatie die transversale op de oorspronkelijke richting kunnen genereren. Dit verschijnsel resulteert in overmatige blootstelling wanneer het gebied van de uitgeharde drijfmest groter dan de blootgestelde gebied is. Het zal ook weinig bloot, wanneer de uitgeharde drijfmest laag kleiner is dan de oorspronkelijk blootgestelde gebied.
Binnen het manuscript, wordt het onderzoek voor de AM van aluminiumoxide onderdelen combineren een dichte en macroporeuze structuur, gerealiseerd met behulp van de technologie van de Admaflex, beschreven. Zoals uiteengezet in het Europese onderzoeksproject “CerAMfacturing”, vereist de productie van VGV keramische onderdelen een hoge resolutie en goede oppervlakte-eigenschappen om te voldoen aan de veeleisende toepassingen. DLP stereolithographic technologieën, zoals hier beschreven, die kunnen onderzoekers te verkrijgen van dergelijke keramische gebaseerde, volledig functionele componenten.
Medische implantaten moet de grondstof van hoge zuiverheid, ideaal voor 99,9% en hoger. In dit project, wordt een niet-commerciële aluminiumoxide poeder met een smalle korrelgrootteverdeling, een gemiddelde deeltje grootte < 0,5 µm en een specifieke oppervlakte van ongeveer 7 m2/g gebruikt. Als alternatief, het is ook mogelijk om te gebruiken voor commerciële materiële composities.
Met het oog op de meest geschikte behandeling voorwaarden voor deze bijzondere keramiek-polymeer slurries, gebruik de bovengenoemde printing technologie. Deze technologie is uitgerust met een folie vervoerssysteem dat de drijfmest uit een reservoir naar het afdrukgebied draagt. De drukkende delen bestaat uit een transparante glazen oppervlak aan de onderkant, waaronder er een lichtbron die projecten de gesneden lagen is. Aan de bovenkant van het afdrukgebied is er een gebouw-platform dat dankzij de dia van een z-as verticaal omhoog en omlaag kunt verplaatsen. Het product, dan hangt aan het oppervlak van de metalen drukplaat waarop dat kan worden aangesloten door vacuüm zuigkracht, boven het afdrukgebied. De ongebruikte drijfmest wordt vervolgens verzameld door een wisser, gereviseerd en gepompt terug naar het oorspronkelijke reservoir, waardoor een gesloten circuit waarmee onderzoekers om opnieuw de drijfmest die niet voor de bouw van het 3D-model verbruikt was te gebruiken. Verschillende softwareparameters kunnen worden gewijzigd om aan te passen van het proces van verschillende drijfmest composities en keramische vulstoffen. De printer moet worden geplaatst in een kamer met gecontroleerde licht, temperatuur en vochtigheid instellingen. De kamer moet zijn voorzien van een UV-filter voor het buiten licht; Daarnaast is het aanbevolen om een temperatuur van rond 20-24 ° C en een relatieve vochtigheid minder dan 40%. De beeldvorming van de FESEM toont een duidelijk grotere gemiddelde deeltjesgrootte van aluminiumoxide poeder na deagglomeration, in vergelijking met de theoretische 0,45-µm aluminiumoxide materiële analyses door de leverancier. Dit kan verklaard worden in termen van agglomeratie. Tijdens het drogen, na de deagglomeration stap, de deeltjes opnieuw doen samenballen, zoals te zien in Figuur 1 d. Tijdens de voorbereiding van de schorsing, kunnen het opnieuw geagglomereerde deeltjes worden verspreid dankzij de oppervlakte functionalization stap. Een kleinere schijnbare deeltjesgrootte kan worden gezien in de FESEM imaging van de drijfmest in Figuur 3.
Wat betreft het Rheologische gedrag moet een ideale drijfmest voor keramische SLA technologie (b.v., Admaflex technologie) een schuintrekken uitdunnen van gedrag (dat wil zeggen, afnemende dynamische viscositeit bij hogere schuintrekken tarieven). Voor een optimale cast op ondersteunende folie of gebruik binnen een verstrekking eenheid, dient de dynamische viscositeit worden bewaard bij een ideale bereik tegen lage schuintrekken tarieven. In geval van te hoge dynamische viscositeit bij lage schuintrekken tarieven, zou kunnen het gieten van een gier laag van 200 µm worden belemmerd door het gebrek aan stroom te vullen van de kloof onder het mes van de arts. Als de dynamische viscositeit te laag is, kan de schorsing stromen door zelf uit het reservoir onder het mes of uit de buurt van de folie van de steun als gevolg van de natuurlijke stroming (zwaartekracht). Voor alle onderzochte schorsingen afneemt de dynamische viscositeit met toenemende mate schuintrekken. Het optimale schorsing stroom gedrag wordt gegeven door compositie 1 (Figuur 2). Verschillende veranderingen in de samenstelling van drijfmest invloed op de Rheologische werking van de schorsing. Het gedrag van de optimale stroom met een lage dynamische viscositeit in het vereiste bereik werd bereikt door schorsing samengestelde 1. Een toename van de inhoud van poeder of een niet-optimale gehalte aan het verspreiden agent (samengestelde 2) en een verandering van de verhouding van de binder-crosslinker met behulp van een hoger bedrag van multifunctionele crosslinker (compositie 3) leidde tot een stijging van de dynamische viscositeit, disadvantageously voor het proces. Als de inhoud van het poeder lager is, samen met een lager gehalte van multifunctionele crosslinker en in combinatie met een niet-optimale gehalte van de verspreiden agent (compositie 4), is de dynamische viscositeit sterk verminderd, eventueel leiden tot een unstable schorsing.
De verandering in opslag modulus G´ van de slurries op lichte bestraling kan helpen om meer te leren over het genezen gedrag van de schorsingen. Dit wordt aangevuld door experimentele tests op de diepte op het afdrukapparaat zelf te genezen. Het genezen gedrag op verschillende tijdstippen van de genezen werd gekenmerkt voor een vering van aluminiumoxide met een optimale Rheologische gedrag. Poeder vóór het bakken begint, de schorsing toont een laag niveau van G´ en waarden onder 100 presenteert Pa. Wanneer genezing begint, kan een polymerisatie van de fotoreactief organics worden afgeleid door een stijging van G´ naar een hoger niveau. Met een toenemende uithardingstijd, de helling van de G´ neemt toe tot een maximum in een bereik van 105 tot 107 Pa die afhangt van de samenstelling. Een uithardingstijd van 1 s leidde tot een definitieve G´ minder dan 106 Pa, dat niet genoeg voor een minimale noodzakelijke sterkte is. Met een toenemende uithardingstijd, wordt meer energie (fotonen) geleverd aan de schorsing, die tot een hogere G´ als gevolg van een snellere en hogere mate van conversie (hogere helling leidt). De optimale uithardingstijd voor de ontwikkelde aluminiumoxide opschorting moet worden in een bereik van 2 tot en met 3 s. Met een uithardingstijd van 4 s, het uiteindelijke niveau van de G´ en de uithardende helling hebben grote getallen, boven 2 x 106 Pa. De conversie is bijna voltooid en bijna geen niet-uitgeharde polymeren bestaan. Verdere energievoorziening kan resulteren in overcuring de drijfmest en een buitensporige verharding van het polymeer, wat resulteert in een broze structuur die een negatief effect op de gehechtheid van het product met het platform van het gebouw heeft.
De single-VGV test component gekozen voor dit manuscript is een hemi-maxillaire implantaat structuur waarin een dichte buitenste schil en een poreuze bot-achtige centrale kern, zoals te zien is in Figuur 5. Dit model kan additief wordt vervaardigd en gesinterd gebrek-gratis, zoals gezien door de beeldvorming van de FESEM. Fijne structuren en muur diktes (minder dan 0.1 mm) kunnen worden gerealiseerd en geen zichtbare vervorming tijdens het sinteren is opgetreden. Bleek dat de microstructuur van de onderdelen van één aluminiumoxide typisch voor de keramiek verwerking van aluminiumoxide op de gegeven sinteren temperaturen, met een homogene korrelgrootte is. De porositeit in de bulk-gebieden is zeer laag ( 99%, vergeleken met de theoretische dichtheid, werd bereikt.
The authors have nothing to disclose.
Dit project heeft financiering ontvangen van de Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie programma onder Grant overeenkomst 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 |